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Die Erfindung betrifft ein Aktuatorensystem zur unabhängigen Erzeugung einer Mehrzahl an Bewegungen bzw. Kräfte durch Aktuatoreinheiten.
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Bei bekannten Aktuatorensystemen handelt es sich um pneumatische oder hydraulische Systeme. Dabei sind hydraulische Systeme bekannt mit einer zentralen Hydraulikpumpe, welche über Stellventile mit Aktuatoren, ausgebildet als Hydraulikzylindern und Hydraulikmotoren, verbunden sind. Die Aktuatoren werden dabei durch die Hydraulikpumpe über ein Druckmedium mit Druck beaufschlagt, um eine Bewegung bzw. Kraft zu erzielen. In solchen Systemen führt jedoch der Ausfall der zentralen Hydraulikpumpe zum Totalausfall es gesamtes Systems.
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Bei einem zentralen Aktuatorensystem besteht darüber hinaus der Nachteil, dass einzelne Aktuatoreinheiten unter Umständen abweichende Drücke erfordern. Die zentrale Hydraulikpumpe muss hierbei den maximal erforderlichen Druck bereitstellen. Über Stellventile und Drosseln wird dieser Druck für andere Aktuatoreinheiten, die einen niedrigeren Druck benötigen, reduziert. Das führt in erheblichen Maße zu einem Energieverlust, welcher die bekannten Aktuatorensysteme ineffizient macht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein zentrales Aktuatorensystem zu schaffen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Aktuatorensystem gemäß Anspruch 1.
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Das erfindungsgemäße Aktuatorensystem weist eine Mehrzahl von hydraulischen oder pneumatischen Aktuatoreinheiten auf. Somit handelt es sich bei einem verwendeten Druckmedium bei hydraulischen Aktuatoreinheiten um eine Flüssigkeit und bei pneumatischen Aktuatoreinheiten um ein Gas. Jede Aktuatoreinheit weist dabei einen beweglichen Aktuator auf, durch den die Kraft bzw. Bewegung der Aktuatoreinheit übertragen wird, sowie eine Pumpeneinheit. Dabei sind die Aktuatoreinheiten mit einer gemeinsamen Energieversorgung verbunden. Bei dieser Energieversorgung handelt es sich insbesondere um eine elektrische Energieversorgung.
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Insbesondere sind die Aktuatoreinheiten ausschließlich über die gemeinsame Energieversorgung verbunden. Bevorzugt ist darüber hinaus noch eine Steuerung vorgesehen, welche ebenfalls die Aktuatoreinheiten miteinander verbindet, sodass die Aktuatoreinheiten ausschließlich über die gemeinsame Energieversorgung und eine Steuerung miteinander verbunden sind.
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Das Aktuatorensystem weist somit keine zentrale Hydraulikpumpe oder Pneumatikpumpe auf. Die Energiequelle ist kein Verbrennungsmotor sondern eine elektrische Energiequelle. Die Energieverteilung erfolgt nicht über hydraulische Leitungen, sondern durch elektrische Leitungen. Um die Vorteile der hydraulischen Energie trotzdem nutzen zu können, wird diese direkt an den Positionen erzeugt, an denen sich die Verbraucher befinden. Jede Aktuatoreinheit weist eine für seine notwendigen Leistungsdaten abgestimmte Pumpeneinheit auf.
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Insbesondere weist jede Aktuatoreinheit ein eigenes Gehäuse auf, in dem die Pumpeneinheit und der mindestens eine Aktuator, und vorzugsweise auch jeder weitere Aktuator der Aktuatoreinheit vorgesehen ist. Vorzugsweise können die Gehäuse einzelner Aktuatoreinheiten miteinander verbunden sein. Insbesondere werden jedoch von der Pumpeneinheit ausschließlich die Aktuatoren mit einem Druckmedium versorgt, welche sich innerhalb des Gehäuses befinden. Besonders bevorzugt sind alle hydraulischen oder pneumatischen Leitungen der Aktuatoreinheit innerhalb des Gehäuses verdeckt, so dass die Aktuatoreinheit des Aktuatorsystems eine gekapselte, eigenständige und bis auf die elektrische Energieversorgung unabhängige Einheit bildet.
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Insbesondere sind die Aktuatoreinheiten als geschlossenes hydraulisches oder pneumatisches System ausgebildet, sodass kein Druckmedium die jeweilige Aktuatoreinheit verlässt oder in diese hineingeführt wird. Durch die verkleinerten, abgetrennten hydraulischen oder pneumatischen Kreisläufe der Aktuatoreinheit, ist die Menge des erforderlichen Druckmediums insbesondere der Hydraulikflüssigkeit bedeutend geringer. Somit ergibt sich das Volumen des erforderlichen Druckmediums aus der Summe der einzelnen Volumen der Aktuatoreinheiten. Kein Druckmedium wird benötigt um Zuleitungen oder Ableitungen zwischen den einzelnen Aktuatoreinheiten zu füllen. Vorzugsweise ist die Aktuatoreinheit als geschlossenes System derart ausgebildet, dass die Aktuatoreinheit vollständig gekapselt ist. Dies ermöglicht das Druckmedium unter einem Vordruck in mindestens einer und bevorzugt in allen Aktuatoreinheiten zu halten, sodass negative Einflüsse auf die Bewegungserzeugung durch Kompressibilität des Druckmediums reduziert werden können. Durch die Erhöhung des Vordrucks in mindestens einer der Aktuatoreinheiten wird in dieser Aktuatoreinheit die Wahrscheinlichkeit für die Entstehung von Kavitäten reduziert, welche zu einer Reduzierung der Effizienz und zu einem großen Verschleiß der Aktuatoreinheit führen würden.
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Vorzugsweise weist mindestens einer der Aktuatoreinheiten mindestens zwei Drucksensoren auf, die zwischen Aktuator und Pumpeneinheit angeordnet sind zur Erfassung eines relativen Druckgradients, zwischen dem Aktuator und der Pumpeneinheit. Mit der Integration von mindestens zwei Drucksensoren kann die Pumpeneinheit derart angesteuert werden, dass eine variabel einstellbare Steifigkeit der Aktuatoreinheiten möglich ist. Durch diese Erfassung des relativen Druckgradienten kann identifiziert werden, ob ein Störimpuls auf den Aktuator unkontrolliert von außen wirkt. Die Erfassung des relativen Druckgradienten hat den Vorteil, dass kein absoluter Wert berechnet werden muss und ist dementsprechend ausreichend schnell für eine direkte Reaktion der Steuerung der Pumpeneinheit. Folglich kann die Steifigkeit des Systems an den benötigten Bedingungen angepasst werden. Diese Eigenschaft kann eine bedeutender Faktor für viele Aktuatorensysteme darstellen und in Kombination mit der Mensch-Maschine-Interaktion zu einer Weiterentwicklung führen.
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Vorzugsweise weist die Pumpeneinheit zwei Förderrichtungen auf. Hierdurch ist es möglich, durch die Steuerung der Pumpeneinheit die Bewegungen der Aktuatoren exakt zu Steuern ohne das Vorsehen von Stellventilen und einer aufwendigen Leitungsführung. Dies ist ebenfalls möglich durch den dezentralen Aufbau des Aktuatorensystems, da durch die Pumpeneinheit mit zwei Förderrichtungen gezielte Bewegungen der Aktuatoren ausgeführt werden können, wohingegen bei einem zentralen Aktuatorensystem des Stands der Technik die zentrale Pumpe lediglich den Druck zur Verfügung stellen muss. Eine Steuerung der Bewegung der Aktuatoren durch die zentrale Pumpe ist hierbei nur unter großem Regelaufwand möglich, da dies zu einem kollektiven Verhalten der Aktuatoren führen würde.
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Vorzugsweise weist jede Aktuatoreinheit ihren eigenen Ausgleichsraum auf, aus dem das Druckmedium zum Aktuator geführt wird und in den das Druckmedium vom Aktuator zurückgefördert wird. Besonders bevorzugt ist der Aktuator dabei als Zweikammersystem ausgebildet, sodass pro Aktuator zwei mit Druck beaufschlagbare Kammern vorliegen, wobei eine Kammer mit Druck beaufschlagt wird um die Bewegung bzw. die Kraft zu erzeugen und die andere Kammer als Ausgleichsraum für das Druckmedium wirkt. Wird die Bewegung des Aktuators umgeschult, tauscht sich entsprechend die Funktion der beiden Kammern.
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Insbesondere weist die Aktuatoreinheit ein Gehäuse auf in dem die elektrische Pumpeneinheit angeordnet ist zur Förderung des Druckmediums. Im Gehäuse ist eine erste Arbeitskammer ausgebildet sowie ebenfalls eine zweite Arbeitskammer. Somit umgibt das Gehäuse zumindest die erste Arbeitskammer und die zweite Arbeitskammer sowie die Pumpeneinheit. Darüber hinaus weist der Aktuator ein erstes bewegliches Kolbenelement auf, welches beweglich in der ersten Arbeitskammer angeordnet ist, sowie ein zweites bewegliches Kolbenelement, welches beweglich in der zweiten Arbeitskammer angeordnet ist. Dabei trennt das erste Kolbenelement die erste Arbeitskammer in einer erste Kammer und eine zweite Kammer und ebenfalls trennt das zweite Kolbenelement die zweite Arbeitskammer in einer erste Kammer und eine zweite Kammer. Mit mindestens einem Kolbenelement ist ein Aktuatorelement verbunden. Durch die Verbindung wird die Bewegung des Kolbenelements innerhalt der Arbeitskammer auf das Aktuatorelement übertragen. Die Pumpeneinheit verbindet fluidisch die erste Arbeitskammer mit der zweiten Arbeitskammer. So wird durch die Pumpeneinheit von einer Arbeitskammer in die andere Arbeitskammer gewährleistet.
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Vorzugsweise weist die Aktuatoreinheit mindestens zwei Aktuatoren auf, wobei mit jedem Kolbenelement jeweils ein Aktuatorelement verbunden ist. Besonders bevorzugt sind hierbei jedoch die Aktuatoren unabhängig voneinander ausgebildet. Dies ermöglicht eine variable Kraftübertragung, da die Kraft/Bewegung, welche auf einen Aktuator wirkt nicht unmittelbar auf den zweiten Aktuator übertragen wird, sondern durch das Druckmedium, welches insbesondere zumindest teilweise durch die elektrische Pumpeneinheit strömen muss, wobei diese Strömung durch die elektrische Pumpeneinheit kontrolliert werden kann.
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Insbesondere bei Vorsehen von zwei Aktuatoren sind sowohl die erste Kammer als auch die zweite Kammer in der ersten und der zweiten Arbeitskammer mit Druck beaufschlagbar, wobei die erste Kammer der ersten Arbeitskammer mit Druck beaufschlagt wird und die zweite Kammer der ersten Arbeitskammer als Ausgleichsraum wirkt. Gleichzeitig wird die erste Kammer der zweiten Arbeitskammer mit Druck beaufschlagt und die zweite Kammer der zweiten Arbeitskammer dient als Ausgleichsraum. Alternativ hierzu wird mit der Druckbeaufschlagung der ersten Kammer der ersten Arbeitskammer die zweite Kammer der zweiten Arbeitskammer mit Druck beaufschlagt und die erste Kammer der zweiten Arbeitskammer dient als Ausgleichsraum. Selbstverständlich kann auch die zweite Kammer der ersten Arbeitskammer mit Druck beaufschlagt werden, sodass sich die Bewegung entsprechend umkehrt. Hierdurch ist es möglich beim Vorsehen von zwei Aktuatoren pro Aktuatoreinheit diese gleichsinnig zu bewegen oder alternativ hierzu die Aktuatoren gegensinnig zu bewegen.
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Vorzugweise ist die Aktuatoreinheit ventillos ausgebildet. Durch die Anordnung der elektrischen Pumpeneinheit in Fluidverbindung mit der ersten Arbeitskammer und der zweiten Arbeitskammer erfolgt die Erzeugung der Bewegung der Kolbenelemente ausschließlich durch eine Steuerung der elektrischen Pumpeneinheit. Ventile sind hierbei nicht erforderlich, sodass die Aktuatoreinheit weiter miniaturisiert werden kann. Hierbei weist die Aktuatoreinheit vorzugsweise als bewegliche Teile ausschließlich die Kolbenelemente mit dem mindestens einen Aktuatorelement und die Pumpeneinheit auf. Dies reduziert den Konstruktionsaufwand, erlaubt eine weitere Miniaturisierung der Aktuatoreinheit und macht die Aktuatoreinheit besonders wartungsarm.
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Insbesondere sind mindestens zwei Aktuatoreinheiten des Aktuatorsystems und bevorzugt alle Aktuatoreinheiten des Aktuatorsystems identisch ausgebildet. Hierdurch ist es möglich, die Aktuatoreinheiten des Aktuatorsystems kostengünstig herzustellen oder einzelne Aktuatoreinheiten durch Austausch im Aktuatorsystem redundant auszugestalten.
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Vorzugsweise weist die Pumpeneinheit einen Ventil-/Drosselbetrieb auf, sodass bei extern anliegender Kraft oder bei einem extern anliegenden Drehmoment der Rückfluss des Druckmediums durch die Pumpeneinheit insbesondere entgegen der eingestellten Förderrichtung der Pumpeneinheit im Ventil-/Drosselbetrieb reduziert wird, oder verhindert wird. Somit wird durch die Pumpeneinheit mit einem Ventil-/Drosselbetrieb eine variable Kraftübertragung bzw. Dämpferfunktion gewährleistet. So ist es einerseits möglich ein Sperren durch die Pumpeneinheit zu erreichen, sodass die vom Aktuator erzeugte Kraft aufrechterhalten wird. Alternativ hierzu kann im Drosselbetrieb der Rückfluss des Druckmediums reduziert werden, sodass eine Dämpferfunktion durch die Pumpeneinheit gewährleistet wird. Vorzugsweise in Kombination mit dem Merkmal, dass die Pumpeneinheit einen Generatorbetrieb aufweist ergibt sich, dass im Drosselbetrieb sowohl die Bewegung des Aktuators auch eine extern anliegende Kraft oder durch ein extern anliegenden Drehmoment gedämpft wird, wobei gleichzeitig elektrische Energie von der Pumpeneinheit erzeugt wird. Insbesondere bei Vorsehen von zwei Aktuatoren ist hierdurch eine unmittelbare und steuerbare Kraftübertragung von dem einen Aktuator auf den anderen Aktuator erzielbar.
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Vorzugsweise weist die Aktuatoreinheit einen Linearaktuator auf, durch den eine lineare Bewegung erzeugt wird oder einen Rotationsaktuator auf, durch den eine Rotation erzeugt wird. Insbesondere falls die Aktuatoreinheit zwei oder mehr Aktuatoren aufweist, sind diese Aktuatoren ebenfalls als Linearaktuatoren und/oder als Rotationsaktuatoren ausgebildet.
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Vorzugseise weist die Pumpeneinheit zwei gesondert angetriebene Rotorelemente auf. Besonders bevorzugt ist es, zwei gesonderte Antriebe vorzusehen, so dass insbesondere die Drehzahl der beiden Rotorelemente auf einfache Weise unabhängig voneinander gesteuert werden kann. Durch das Vorsehen zweier, insbesondere leistungsfähiger Elektromotoren kann der Aufbau einer derartigen Pumpeneinheit deutlich vereinfacht werden. Moderne Elektromotoren weisen neben einer hohen Leistungsdichte einen hohen Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer auf.
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Jedes der beiden erfindungsgemäß vorgesehenen Rotorelemente ist mit einem Förderelement verbunden, wobei ein Rotorelement mit einem ersten Förderelement und das andere Rotorelement mit einem letzten Förderelement verbunden sind. Dabei ist eine Stellung der Förderelemente relativ zueinander veränderbar. Hierbei wird durch die Förderelemente ein schraubenförmiger Pumpkörper ausgebildet, wobei je nach Stellung der Förderelemente zueinander der schraubenförmige Pumpkörper einen unterschiedlichen Drehsinn zur Förderung in die eine oder andere Förderrichtung aufweist. Dabei kann der schraubenförmige Pumpkörper lediglich einen Abschnitt eines schraubenförmigen Pumpkörpers aufweisen, so dass auch schon durch zwei Förderelemente ein Drehsinn definiert wird. Hierzu sind die Förderelemente in axialer Richtung hintereinander angeordnet. In einer axialen Draufsicht auf das erste Förderelement ist in einer ersten Stellung das letzte Förderelement im Uhrzeigersinn relativ versetzt zum ersten Förderelement angeordnet. Hierdurch wird ein Drehsinn definiert, der dem Uhrzeigersinn folgt, so dass durch die beiden Förderelemente ein schraubenförmiger Pumpkörper ausgebildet ist. In einer zweiten Stellung ist das letzte Förderelement relativ zum ersten Förderelement entgegen dem Uhrzeigersinn versetzt angeordnet, wodurch durch die beiden Förderelemente ein schraubenförmiger Pumpkörper mit einem gegen den Uhrzeigersinn laufenden Drehsinn ausgebildet wird.
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Insbesondere ist es somit möglich, die Strömungsrichtung des durch die Pumpeneinheit gepumpten Fluides zu verändern, ohne die Rotationsrichtung der Rotorelemente zu verändern. Lediglich der Versatz der beiden Rotorelemente zueinander muss verändert werden. Dies kann auf einfache Weise dadurch erzielt werden, dass eines der Rotorelemente kurzfristig schneller oder langsamer als das andere Rotorelement gedreht wird und anschließend sich die beiden Rotorelemente wieder mit gleicher Drehgeschwindigkeit drehen. Hierdurch wird eine Veränderung des Versatzes und somit ein Verändern der Strömungsrichtung realisiert.
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Insbesondere sind zwischen dem ersten Förderelement und dem letzten Förderelement weitere Elemente angeordnet zur Ausbildung des schraubenförmigen Pumpkörpers. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um identische Förderelemente. Dabei ist die Stellung der Förderelemente relativ zueinander veränderbar, so dass durch eine vorgegebene Stellung das Medium in die eine oder andere Förderrichtung gefördert wird. Die Förderelemente bestehen insbesondere aus einem geeigneten Metall, einer geeigneten Keramik und bevorzugt aus einem Kunststoff.
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Insbesondere ändert sich je nach Stellung des ersten Förderelements relativ zum letzten Förderelement die Förderrichtung, wobei die Drehrichtung des ersten und des letzten Förderelements stets unverändert bleibt.
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Ein wesentlicher Vorteil hierdurch besteht darin, dass zum Ändern der Förderrichtung des Fluids keine Veränderung der Drehrichtung der Rotorelemente erfolgen muss. Dies hat zur Folge, dass die Lebensdauer der Lagerungen erheblich vergrößert wird. Des Weiteren ist es möglich, dass beide Rotorelemente nach dem Anlaufen auf eine ausreichend hohe Drehzahl beschleunigt werden, so dass beispielsweise bei als Gleitlager ausgebildeten Lagern eine hydrodynamische Schmierung erfolgt. Hierdurch kann der Verschleiß minimiert werden. Die ausreichend hohen Drehzahlen können beibehalten werden auch bei Anpassung der Förderleistung der Pumpvorrichtung, da durch die Stellung der Förderelemente zueinander die Steigung des schraubenförmigen Pumpkörpers angepasst werden kann.
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Vorzugseise da bei der Pumpeneinheit ein Verändern der Strömungsrichtung entweder durch Verändern der Phasenlage der Rotorelemente zueinander oder durch Verändern der relativen Drehgeschwindigkeit der Rotorelemente zueinander erfolgt, ist des Weiteren auch das Vorsehen von Ventilen und aufwendigen mechanischen Einrichtungen zur Veränderung der Förderrichtung nicht erforderlich. Bei bekannten mechanischen Einrichtungen erfolgt häufig ein diskretes Stellen der Ventile. Dies hat hohe Druckstöße im Fluidkreislauf zur Folge, die die Pumpeinrichtung, insbesondere die Lager belasten. Durch ein kontinuierliches Verändern der Förderrichtung erfolgt eine gezielte Dämpfung derartiger Druckstöße. Der Umschaltvorgang kann bei den erfindungsgemäßen Pumpen dynamisch erfolgen. Insofern ist ein Anpassen des Umschaltvorgangs an die vorherrschende Druck- bzw. Flussumgebung möglich. Dies ist bei diskreten Ventilen oder verstellbaren Schaufelwinkeln nicht möglich.
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Insbesondere ist es möglich, eine derartige Pumpeneinheit auch als Sperrventil zu verwenden. Dies erfolgt dadurch, dass ein periodisches Ändern des Versatzes zwischen den beiden Rotorelementen erfolgt. Dies bewirkt ein periodisches Ändern der Strömungsrichtung. Bei einer relativ hohen Änderungsfrequenz wirkt die Pumpeneinheit somit als Sperrventil. Eine weitere Möglichkeit eine Sperrventilwirkung zu erreichen ist eine Änderung des Phasenversatzes der beiden Rotorelemente. Dies bewirkt, dass sich von beiden Rotorelementen über die Trägheit passiv zwei Schraubenformen mit gleichem Steigungsbetrag aber entgegengesetztem Drehsinn ausbilden. Je nach Phasenversatz kann eine asymmetrische Anordnung der beiden Schraubenformen entstehen. Bei einer symmetrischen Anordnung der beiden Schraubenformen, insbesondere eine Gleichteilung des Pumpkörpers in einen Teil mit einem ersten Drehsinn und einem zweiten gleichgroßen Teil mit einem anderen Drehsinn würde bei keiner Druckdifferenz zwischen Pumpeneinlass und Pumpenauslass keine Förderung entstehen aber auch kein Durchfluss möglich sein. Die Sperrwirkung ist erreicht. Bei einem Druckunterschied zwischen Ein- und Auslass (was normalerweise im Betrieb der Fall ist) kann dieser durch eine asymmetrische Anordnung der beiden Schraubenformen, bei der insbesondere ein Teil mit einem Drehsinn überragt, aufrecht erhalten werden. Somit wäre in diesem Falle die Sperrwirkung erzielt.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Pumpvorrichtung weist vorzugsweise zwei gesondert angetriebene Rotorelemente auf. Besonders bevorzugt ist es, zwei gesonderte Antriebe vorzusehen, so dass insbesondere die Drehzahl der beiden Rotorelemente auf einfache Weise unabhängig voneinander gesteuert werden kann. Durch das Vorsehen zweier, insbesondere leistungsfähiger Elektromotoren kann der Aufbau einer derartigen Pumpvorrichtung deutlich vereinfacht werden. Moderne Elektromotoren weisen neben einer hohen Leistungsdichte einen hohen Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer auf.
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Jedes der beiden vorgesehen Rotorelemente weist mehrere Förderelemente wie Rotorschaufeln auf. Durch die Förderelemente sind Förderflächen ausgebildet, die auf das zu fördernde Medium aufgrund der Drehung der Rotorelemente eine Kraft ausüben und ein Fördern des Mediums bewirken. Vorzugsweise ist es möglich, die Stellung der Förderelemente des ersten Rotorelements relativ zu den Förderelementen des zweiten Rotorelements zu verändern. Je nach Stellung der Förderelemente zueinander sind unterschiedliche Förderflächen aktiv. Dies hat zur Folge, dass wenn beispielsweise die Förderflächen der Förderelemente des ersten Rotorelements aktiv sind, Fluid in eine Förderrichtung strömt und wenn die Förderflächen der Förderelemente des anderen Rotorelements aktiv sind, das Fluid in die entgegengesetzte Richtung strömt. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass beispielsweise bei gleicher Drehrichtung der beiden Rotorelemente je nach Strömungsrichtung das erste Rotorelement dem zweiten Rotorelement nacheilt oder umgekehrt.
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Vorzugsweise ist es somit möglich, die Strömungsrichtung des durch die Pumpvorrichtung gepumpten Fluids zu verändern, ohne die Rotationsrichtung der Rotorelemente zu verändern. Lediglich der Versatz der beiden Rotorelemente zueinander muss verändert werden. Dies kann auf einfache Weise dadurch erzielt werden, dass eines der Rotorelemente kurzfristig schneller oder langsamer als das andere Rotorelement gedreht wird und anschließend sich die beiden Rotorelemente wieder mit gleicher Drehgeschwindigkeit drehen. Hierdurch wird eine Veränderung des Versatzes und somit ein Verändern der Strömungsrichtung dadurch realisiert, dass andere Förderflächen der Förderelemente zumindest hauptsächlich aktiv sind. Auch können die Förderflächen der unterschiedlichen Förderelemente je nach Stellung zueinander gemeinsam jeweils eine Förderfläche mit unterschiedlicher Kontur ausbilden, so dass hierdurch die Strömungsrichtung verändert werden kann. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Pumpvorrichtung handelt es sich somit insbesondere um eine Axialpumpe, wobei ein Variieren der Förderrichtung durch eine Phasendifferenz bzw. ein Ändern des Versatzes zwischen den Förderflächen realisiert wird.
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Insbesondere ist es möglich, eine derartige Pumpeneinheit auch als Sperrventil zu verwenden. Dies erfolgt dadurch, dass ein periodisches Ändern des Versatzes zwischen den beiden Rotorelementen erfolgt. Dies bewirkt ein periodisches Ändern der Strömungsrichtung. Bei einer relativ hohen Änderungsfrequenz wirkt die Pumpeneinheit somit als Sperrventil. Die Sperrwirkung kann auch erzielt werden, wenn die Förderflächen der Rotorelemente in die äußerste Kontraposition gebracht werden, also den größten Abstand zueinander haben. In diesem Fall genügt es, mit einer höheren Drehzahl zu drehen, somit wird der Flusswiderstand durch die Pumpe erhöht und eine Sperrwirkung erreicht. Hierbei sind die beiden aktiven Flächen der Förderelemente in einer Stellung angeordnet, in der keine der beiden aktiven Flächen eine bevorzugte Förderrichtung aufweist.
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In besonders bevorzugter Ausführungsform überdecken sich die Förderelemente der beiden Rotorelemente in axialer Richtung zumindest teilweise. Zur Ausbildung einer gegebenenfalls gemeinsamen Förderfläche ist es bevorzugt, dass die Förderelemente aneinander anliegen und insofern eine Kontaktfläche zwischen den beiden Förderelementen besteht. Hierbei ist es möglich, dass beispielsweise die Förderelemente eines ersten der beiden Rotorelemente bezogen auf die Drehrichtung der beiden Rotorelemente an eine der Drehrichtung abgewandten oder der Drehrichtung zugewandten Seite der Förderelemente des anderen bzw. zweiten Rotorelements anliegen. Die Förderelemente des ersten Rotorelements eilen somit den Förderelementen des zweiten Rotorelements nach oder voraus. Die Kontaktflächen, an denen die Förderelemente aneinander anliegen, sind vorzugsweise kongruent zueinander ausgebildet, so dass ein flächiges abdichtendes Anliegen der beiden Förderelemente gewährleistet ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Pumpeneinheit weist ebenfalls zwei gesondert antreibbare Rotorelemente auf, die in bevorzugter Ausführungsform wiederum über zwei gesonderte Antriebsmotoren, insbesondere Elektromotoren angetrieben sind. Bei dieser Pumpvorrichtung, bei der es sich um eine alternative Struktur der Axialpumpe handelt, wird das Verändern der Förderrichtung, d. h. das Verändern der Strömungsrichtung des Fluids dadurch realisiert, dass die relative Drehgeschwindigkeit der beiden Rotorelemente zueinander verändert wird. Erfindungsgemäß erfolgt hierbei kein Umkehren der Drehrichtung eines oder gar beider Rotorelemente, sondern lediglich ein Verändern der Relativgeschwindigkeit der beiden Rotorelemente zueinander. Beispielsweise wird ein erstes Rotorelemente schneller gedreht als das zweite Rotorelement, wodurch ein Fördern in eine Richtung, beispielsweise axial von links nach rechts erfolgt. Durch Verändern der Relativgeschwindigkeit, indem das zweite Rotorelement schneller als das erste Rotorelement gedreht wird, erfolgt eine Umkehr der Förderrichtung, beispielsweise einem Fördern des Fluids axial von rechts nach links. Die Förderflächen der Förderelemente sind hierbei derart ausgestaltet, dass in Abhängigkeit der relativen Drehgeschwindigkeit unterschiedliche Förderflächen aktiv sind und somit insbesondere ein Fördern des Fluids axial nach rechts oder links bewirken.
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Besonders bevorzugt ist es, dass eines der beiden Rotorelemente das andere Rotorelement zumindest teilweise umgibt. Insbesondere sind die beiden Rotorelemente koaxial zueinander angeordnet. Bei bevorzugt im Wesentlichen zylindrisch ausgestalteten Rotorelementen kann ein Rotorelement das andere vollständig umgeben. Je nach Förderrichtung dreht sich somit das innere Rotorelement schneller oder langsamer als das äußere Rotorelement. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist es bevorzugt, dass das äußere Rotorelement an seiner Innenseite erste aktive Flächen, insbesondere Kavitäten aufweist, die mit an der Außenseite des inneren Rotorelements vorgesehenen zweiten aktiven Flächen, insbesondere Kavitäten zusammenwirken. Diese Kavitäten bilden die Förderflächen aus, so dass je nach relativer Drehgeschwindigkeit der beiden Rotorelemente zueinander unterschiedliche Förderflächen wirksam bzw. aktiv sind. Insbesondere erfolgt je nach Förderrichtung ein Fördern des Fluids von den ersten in die zweiten Kavitäten oder von den zweiten in die ersten Kavitäten. Z. B. wird das Fluid von den ersten Kavitäten angesaugt und in die zweiten Kavitäten gefördert. Die zweiten Kavitäten stoßen das Fluid sodann aus. Bei entsprechender Änderung der Relativdrehgeschwindigkeit erfolgt ein umgekehrtes Fördern des Fluids.
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Vorzugsweise sind sowohl die ersten als auch die zweiten Kavitäten derart ausgebildet, dass diese sich in axialer Richtung der Rotorelemente nur über einen Teil der axialen Breite der Rotorelemente erstrecken. Keine der Kavitäten ist somit in axialer Richtung durchgängig. Dies hat zunächst den Vorteil, dass ein definiertes Fördern von den ersten Kavitäten in die zweiten Kavitäten oder umgekehrt erfolgt.
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Bei axial nicht durchgängigen Kavitäten, die vorzugsweise auch in Umfangsrichtung einen gewissen Abstand zueinander aufweisen, besteht ferner die Möglichkeit, die ersten und zweiten Kavitäten derart anzuordnen, dass keine Verbindung zwischen den Kavitäten besteht. Bei einem derartigen Anordnen der ersten Kavitäten auf Lücke zu den zweiten Kavitäten, bilden die beiden Rotorelemente ein Sperrventil.
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Da bei den Pumpeneinheiten ein Verändern der Strömungsrichtung entweder durch Verändern der Phasenlage der Rotorelemente zueinander oder durch Verändern der relativen Drehgeschwindigkeit der Rotorelemente zueinander erfolgt, ist des Weiteren auch das Vorsehen von Ventilen und aufwendigen mechanischen Einrichtungen zur Veränderung der Förderrichtung nicht erforderlich. Insbesondere ist durch die erfindungsgemäßen Pumpvorrichtungen eine kontinuierliche Änderung der Strömungsrichtung möglich. Bei bekannten mechanischen Einrichtungen erfolgt häufig ein diskretes Stellen der Ventile. Dies hat hohe Druckstöße im Fluidkreislauf zur Folge, die die Pumpeinrichtung, insbesondere die Lager belasten. Durch ein kontinuierliches Verändern der Förderrichtung erfolgt eine gezielte Dämpfung derartiger Druckstöße. Der Umschaltvorgang kann bei den erfindungsgemäßen Pumpen dynamisch erfolgen. Insofern ist ein Anpassen des Umschaltvorgangs an die vorherrschende Druck- bzw. Flussumgebung möglich. Dies ist bei diskreten Ventilen oder verstellbaren Schaufelwinkeln nicht möglich.
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Das erfindungsgemäße Aktuatorensystem ist dabei überall dort einsetzbar, wo eine Vielzahl von Aktuatoren benötigt wird. Dies umschließt beispielsweise den Einsatz in Elektroautos, wo die Aktuatoren ausgebildet sind als Hydromotoren. Die zentrale elektrische Energiequelle versorgt alle vier Räder mit elektrischer Energie. Die Räder sind als Verbraucher mit einer Pumpeneinheit ausgestattet. Durch diese ist sowohl das Übersetzungsverhältnis, Kraftentkopplung und Energierückgewinnung möglich. Durch die gezielte Erzeugung der benötigten hydraulischen Energie in den jeweiligen Rädern muss bei einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug nicht auf hydraulisch übersetzte Energie verzichtet werden. Darüber hinaus ist durch die variable Steifigkeit der Aktuatoreinheiten das erfindungsgemäße Aktuatorensystem insbesondere geeignet für die Verwendung in künstlichen Armen, Hand- oder Beinprothesen. Durch die Erfassung des Druckgradienten kann der Betrieb der Prothesen in der Weise verbessert werden, dass zum einen die technischen Komponenten des Antriebssystems und zum anderen vor allem der Patient geschützt werden kann. Durch den vereinfachten Aufbau des Aktuatorensystems, gegeben durch den dezentralen Aufbau, ist ebenfalls eine Miniaturisierung möglich, sodass kompakte hochintegrierte Systeme möglich werden.
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Nachfolgen wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Aktuatorsystem mit vier Aktuatoreinheiten,
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2 eine Aktuatoreinheit mit einem Aktuator und Drucksensoren,
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3 eine Aktuatoreinheit ausgebildet als Linearaktuator mit zwei Aktuatoren,
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4 eine erste Ausführungsform der Pumpeneinheit,
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5a, 5b und 5c eine alternative Ausführungsform der Pumpeneinheit und
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6 eine weitere alternative Ausführungsform der Pumpeneinheit.
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Das erfindungsgemäße Aktuatorensystem weist, wie gezeigt in 1, vier Aktuatoreinheiten 10 auf. Diese Aktuatoreinheiten 10 sind über Leitungen 12 mit einer zentralen Energieversorgung 14 verbunden. Dabei ist die Anzahl der Aktuatoreinheiten 10 nicht beschränkt auf vier Aktuatoreinheiten, sondern kann mindestens zwei Aktuatoreinheiten 10 aufweisen und darüber hinaus jede beliebige Zahl von Aktuatoreinheiten. Auch kann die zentrale Energieversorgung 14 ausgelegt sein einzelne Aktuatoreinheiten 10 auf einfache Weise an- und abzukoppeln, was dargestellt ist durch die zusätzlichen Verbindungsleitungen 15, mit denen im Bedarfsfall weitere Aktuatoreinheiten verbunden werden können.
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Jede Aktuatoreinheit 10 weist dabei eine Pumpeneinheit 16 auf, durch die ein Druckmedium innerhalb der jeweiligen Aktuatoreinheit 10 gefördert wird. Bei dem Druckmedium handelt es sich um ein Gas oder eine Flüssigkeit. Ebenfalls weist jede Aktuatoreinheit 10 einen Aktuator 18 auf, der den Druck, erzeugt durch die Pumpeneinheit 16, in eine Bewegung oder eine Kraft bzw. Drehmoment umwandelt, die nach außen geführt wird. Bei dem in 1 gezeigten Aktuatorensystem handelt es sich beispielsweise um den Antrieb für ein Elektroauto, wobei mit den Aktuatoren 18 Räder verbunden sind (nicht dargestellt).
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Die Steuerung der einzelnen Aktuatoreinheiten 10 erfolgt dabei über die Verbindungsleitungen 12. Die Steuerung des Aktuatorensystems erfolgt dabei über die Steuerungseinheit 20, welche die gemeinsame Energieversorgung 14 der Mehrzahl an Aktuatoreinheiten 10 steuert.
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In 2 ist eine Aktuatoreinheit gezeigt. Dabei sind gleiche Bauteile mit gleichen Referenzzeichen bezeichnet. In 2 ist der Aktuator 18 ausgebildet als Linearaktuator, wodurch eine lineare Bewegung erzeugt wird. Zwischen der Pumpeinheit 16 und dem Aktuator 18 sind ein erster Drucksensor 22 und ein zweiter Drucksensor 24 angeordnet. Durch den ersten Drucksensor 22 wird ein erster Druck p1 und durch den zweiten Drucksensor wird ein zweiter Druck p2 ermittelt.
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Im aktiven Betrieb wird der Druck von der Pumpeneinheit 16 aufgebaut und in Richtung des Aktuators 18 gerichtet. Mit zwei Drucksensoren 22, 24 bzw. einer geeigneten Sensoreinheit für den Druckvektor kann bestimmt werden von welcher Richtung der Druck erzeugt wird. Wird von der Pumpeneinheit 16 das Druckmedium gefördert zum Aktuator 18 hin, so ist der Druck p2 gemessen vom Drucksensor 24 kleiner als der Druck p1 gemessen vom Drucksensor 22. Wirkt hingegen ein Impuls von außen auf den Aktuator 18 ist der Druck p2 größer als p1. An dieser Stelle kann durch eine geeignete Ansteuerung der Pumpeneinheit auf den Impuls von außen reagiert werden. Es kann sowohl ein steifes System dargestellt werden, in dem die Pumpeneinheit als Ventil wirkt oder entgegen dem Impuls fördert. Gegenteilig kann die Pumpeneinheit einen hydraulischen oder pneumatischen Kurzschluss erzeugen und Druckmedium durchströmen lassen. Da letzeres aber trotz Durchlass einen gewissen Widerstand erzeugt, kann der Impuls zusätzlich abgefangen werden, indem die Pumpeneinheit 16 in Wirkrichtung des Impulses zusätzlich fördert. Hierbei ist nicht ein exakter Druckwert erforderlich, der aufwendig ermittelt werden müsste. Vielmehr ist der relative Druckgradient als Regelgröße heranzuziehen, der einfach und vor allem schnell gemessen und an die Pumpeneinheit weitergegeben werden kann.
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Vorzugsweise eignen sich piezoelektrische bzw. piezoresistente Prinzipien zur Messung des relativen Druckgradienten. Das Prinzip der Druckmessung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der Aktuatoreinheit, gezeigt in 3, welche ausgebildet ist als Linearaktuator 26, weist diese ein Gehäuse 28 auf. In dem Gehäuse 28 ist eine elektrische Pumpeneinheit 16 angeordnet, welche ein Druckmedium, bei dem es sich insbesondere um eine Hydraulikflüssigkeit handelt, in zwei Förderrichtungen fördern kann, angedeutet durch die Pfeile 32 und 34. Dabei wird durch die Pumpeneinheit 16 das Druckmedium bei einer Förderrichtung entsprechend dem Pfeil 32 von einer ersten Arbeitskammer 36 in einer zweite Arbeitskammer 38 gefördert. In der ersten Arbeitskammer 36 ist ein Kolbenelement 40 angeordnet, welches innerhalb der ersten Arbeitskammer 36 verschiebbar angeordnet ist. Mit dem ersten Kolbenelement 40 ist ein erstes Aktuatorelement 42 verbunden, wobei das Aktuatorelement 42 durch eine Öffnung aus dem Gehäuse 28 hinausragt und so die Bewegung des ersten Kolbenelements 40 nach außen führt.
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In der zweiten Arbeitskammer 38 ist ein zweites Kolbenelement 44 angeordnet, welches wiederum mit einem Aktuatorelement 46 verbunden ist.
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Durch das erste Kolbenelement 40 wird die erste Arbeitskammer 36 in eine erste Kammer 48 und in eine zweite Kammer 50 unterteilt. Dabei stehen die erste Kammer 48 und die zweite Kammer 50 der ersten Arbeitskammer 36 nicht unmittelbar in Fluidverbindung. Insbesondere dichtet das erste Kolbenelement 40 die erste Kammer 48 von der zweiten Kammer 50 ab. Ebenso teilt das zweite Kolbenelement 44 die zweite Arbeitskammer 38 in eine erste Kammer 52 und eine zweite Kammer 54. Auch hier besteht keine unmittelbare Fluidverbindung zwischen der ersten Kammer 52 und der zweiten Kammer 54 der zweiten Arbeitskammer 38.
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Über einen Verbindungskanal 56 ist die zweite Kammer 50 der ersten Arbeitskammer 36 fluidisch verbunden mit der zweiten Kammer 54 der zweiten Arbeitskammer 38. Bei einer Förderrichtung entsprechend dem Pfeil 32 wird das Druckmedium von der ersten Kammer 48 der ersten Arbeitskammer 36 in die erste Kammer 52 der zweiten Arbeitskammer 38 gefördert. Hierdurch bewegen sich die Kolbenelemente entsprechend der Pfeile 58 und 60. Durch eine Bewegung der Kolbenelements 44 reduziert sich das Volumen der zweiten Kammer 54 der zweiten Arbeitskammer 38. Über den Ausgleichskanal 56 strömt überschüssiges Druckmedium in die sich vergrößerte zweite Kammer 50 der ersten Arbeitskammer 36. Hierbei handelt es sich um ein Vierkammersystem.
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Wird die Förderrichtung umgekehrt und das Druckmedium entsprechend dem Pfeil 34 gefördert, kehrt sich ebenfalls die Bewegungsrichtung der Aktuatorelemente 42, 46 um und entspricht den Pfeilen 62 und 64. Somit bewegen sich die Aktuatoren der in der 3 gezeigten Aktuatoreinheit gleichsinnig. Eine gegensinnige Bewegung der Aktuatorelemente 42, 46 kann ebenfalls erreicht werden durch deine Änderung des Verbindungskanals 56.
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Die Pumpeneinheit 16 dargestellt in einer ersten Ausführungsform gezeigt in 4 ist bevorzugt als Schraubenpumpe ausgebildet und weist zwei Rotorelemente 84, 86, welche von nicht dargestellten Antriebsmotoren angetrieben werden. Hierzu werden insbesondere zwei Antriebsmotoren vorgesehen, so dass das Rotorelement 84 unabhängig vom Rotorelement 86 angetrieben werden kann. Mit dem Rotorelement 84 ist unmittelbar ein erstes Förderelement 88 verbunden und mit dem Rotorelement 86 ist unmittelbar ein letztes Förderelement 90 verbunden. Zwischen dem ersten Förderelement 88 und dem letzten Förderelement 90 sind eine Vielzahl weiterer Förderelemente 92 angeordnet. Hierbei sind die Förderelemente 88, 90, 92 insbesondere dicht in axialer Richtung hintereinander angeordnet, so dass zwischen den Förderelementen 88, 90, 92 nur minimale Spalten entstehen. Darüber hinaus sind die Förderelemente 88, 90, 92 relativ zueinander beweglich, so dass diese in eine andere Stellung gebracht werden können. Hierdurch wird durch die Förderelemente 88, 90, 92 ein schraubenförmiger Pumpkörper 94 ausgebildet.
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Eilt nun das erste Rotorelement 84 dem zweiten Rotorelement 86 voraus, wobei die Drehrichtung durch den Pfeil 89 festgelegt ist, so entsteht ein schraubenförmiger Pumpkörper 94 der in Blickrichtung 96 einen Drehsinn im Uhrzeigersinn aufweist. Die Förderrichtung ist demensprechend durch die Pfeile 98 angedeutet.
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Die Förderrichtung der Pumpeneinheit 16 kann umgekehrt werden. Dabei ist die Drehrichtung des ersten und des zweiten Rotorelements identisch wie in 4 angezeigt durch den Pfeil 89. Jedoch eilt in diesem Fall das zweite Rotorelement 86, welches mit dem letzten Förderelement 90 verbunden ist, dem ersten Rotorelement 84, welches mit dem ersten Förderelement 88 verbunden ist, voraus. Somit weist der schraubenförmige Pumpkörper 94 in Blickrichtung 96 einen dem Uhrzeigersinn entgegengesetzten Drehsinn auf.
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Somit kann bei gleichbleibender Drehrichtung 89 der Rotorelemente 84, 86 die Förderrichtung 98 umgekehrt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform (5a bis 5c), bei der es sich um eine schematische Darstellung einer Pumpeneinheit 16 zum axialen Pumpen von Fluid handelt, sind zwei Rotorelemente 100, 102 vorgesehen. Die Rotorelemente weisen jeweils als Schaufeln ausgebildete im Wesentlichen axial verlaufende Förderelemente 104, 106 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel überlappen sich die Förderelemente in axialer Richtung vollständig. Insofern sind je nach Stellung der Förderelemente zueinander unterschiedliche Förderflächen aktiv. In 5a werden beide Rotorelemente 100, 102 mit der gleichen Drehgeschwindigkeit entgegen des Uhrzeigersinns gedreht. Die Hauptfläche, durch die ein Fördern des Fluids erfolgt, ist somit jeweils die Förderfläche 108 der Förderelemente 104. Hierdurch erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel, wie durch die Pfeile 120 dargestellt, ein Fördern des Fluids in der unteren Ansicht der 5a von links nach rechts.
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Um die Förderrichtung zu verändern, wird entweder der Rotor 100 kurzfristig beschleunigt oder der Rotor 102 kurzfristig abgebremst. Hierdurch gelangen die beiden Rotoren 110, 112 über die in 5b dargestellte Zwischenstellung, in die in 5c dargestellte Stellung. Die Drehrichtung der beiden Rotoren entgegen dem Uhrzeigersinn bleibt beibehalten. Die Förderung des Fluids erfolgt nunmehr durch die Förderflächen 122 der Förderelemente 116. Aufgrund der Ausgestaltungen der Förderflächen erfolgt ein Fördern des Fluids in entgegengesetzte Richtung, d. h. in Richtung der Pfeile 124 in der unteren Darstellung der 5c, von rechts nach links, wobei keine Änderung der Drehrichtung erfolgt.
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Da sich bei der in den 5a bis 5c dargestellten Ausführungsform der Pumpvorrichtung die beiden Rotorelemente 100, 112 stets in dieselbe Richtung drehen, ist es auch denkbar, dass nur der jeweils bezogen auf die Drehrichtung nacheilende Rotor angetrieben wird. In der in 5a dargestellten Stellung wäre es somit ausreichend, wenn das Rotorelement 120 angetrieben wird. In der in 5c dargestellten Stellung wäre es ausreichend, wenn das Rotorelement 100 angetrieben wird.
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Bei der weiteren bevorzugten Ausführungsform der Pumpeneinheit 14 (6), bei der es sich um eine Axialpumpe handelt, sind ebenfalls zwei Rotorelemente 130, 132 vorgesehen. Bei diesen Rotorelementen handelt es sich um im Wesentlichen zylindrisch aufgebaute Rotorelemente, die koaxial zueinander angeordnet sind. Das innere Rotorelement 130 ist hierbei vorzugsweise von dem äußeren Rotorelement 132 umgeben. Die Förderrichtung dieser Pumpeneinheit hängt von der relativen Drehgeschwindigkeit der beiden Rotorelemente 130, 132 zueinander ab, wobei die Drehrichtung stets unverändert bleibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013223890 [0039]
- DE 102012221358 [0039]
