DE102017106546A1

DE102017106546A1 - Ölpumpe mit elektrisch verstellbarer Verdrängung

Info

Publication number: DE102017106546A1
Application number: DE102017106546.6A
Authority: DE
Inventors: Gabriele Michalke; Istvan Denes; Klaus Kuhnen; Oliver Charvet
Original assignee: Robert Bosch GmbH; VHIT SpA
Current assignee: Robert Bosch GmbH; VHIT SpA
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2018-09-27
Also published as: EP3382169A1

Abstract

Flügelpumpe (1) mit variabler Verdrängung, umfassend ein Gehäuse (2) mit einem Einlass (21) und einem Auslass (22), einen zur Rotation um eine Drehachse (30) antreibbaren Rotor (3) sowie eine Mehrzahl von an den Rotor (3) gekoppelten Flügeln (41-48), weiterhin umfassend einen Begrenzerring (5) mit einer Symmetrieachse (50), wobei die Flügel (41-48) mit dem Begrenzerring (5) in Eingriff stehen und gemeinsam mit dem Begrenzerring (5) eine Mehrzahl von Pumpkammern (51-58) bilden, die bei Bewegung der Flügel (41-48) durch den Rotor (3) im Wechsel in Verbindung mit dem Einlass (21) und mit dem Auslass (22) bringbar sind, wobei die Volumenveränderung, die die Pumpkammern (51-58) bei Bewegung der Flügel (41-48) erfahren, vom Versatz d zwischen der Symmetrieachse (50) und der Drehachse (30) abhängt, wobei der Begrenzerring (5) an mindestens ein lineares Stellglied (6) gekoppelt ist, welches dazu ausgebildet ist, bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung U, und/oder mit einem elektrischen Strom I, eine Kraft Fs, und/oder ein Drehmoment m, auf den Begrenzerring (5) auszuüben, und damit den Versatz d zwischen der Symmetrieachse (50) und der Drehachse (30) zu verändern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Ölpumpen für die Schmierstoffversorgung von Verbrennungsmotoren, bei denen die Verdrängung von der Drehzahl der Antriebsquelle entkoppelt ist.
Stand der Technik
Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen werden mit Motoröl geschmiert, das einer Ölwanne entnommen und mit einer Ölpumpe unter Druck durch den Motor gefördert wird. Die Ölpumpe wird in der Regel mechanisch durch den Motor selbst angetrieben. In der Regel kommen Flügelpumpen als Ölpumpen zum Einsatz.
Die Drehzahl der Flügelpumpe ist im Allgemeinen starr an die Motordrehzahl gekoppelt. Im Ölkreislauf des Motors wird jedoch unabhängig von der Motordrehzahl ein vorgegebener Öldruck benötigt. Um die Verdrängung der Flügelpumpe, und damit auch den erzeugten Öldruck, von der Motordrehzahl zu entkoppeln, wird das Verhältnis zwischen der Verdrängung und der Motordrehzahl verändert.
Zu diesem Zweck ist beispielsweise aus der US 9,410,514 B2 und aus der US 2015 285 246 A1 bekannt, die von einem Rotor angetriebenen Flügel in einem Begrenzerring zu führen, so dass die Flügel in Verbindung mit dem Begrenzerring Pumpkammern bilden. Bei Bewegung der Flügel durch den Rotor wird jede dieser Pumpkammern im Wechsel in Verbindung mit dem Einlass und mit dem Auslass in Verbindung gebracht. Indem die Symmetrieachse des Begrenzerrings gegen die Drehachse des Rotors versetzt wird, kann die Volumenveränderung, die eine jede Pumpkammer im Laufe der Bewegung erfährt, eingestellt werden. Diese Volumenveränderung bestimmt die Verdrängung pro Rotorumdrehung, und somit auch die Druckerhöhung des Öls auf dem Weg vom Einlass zum Auslass.
Dabei kann der Öldruck beispielsweise rein hydraulisch auf einen Sollwert geregelt werden, indem er einer Federkraft in der Weise mechanisch gegenübergestellt wird, dass der Öldruck in einer Steuerkammer den besagten Versatz tendenziell vermindert, während die Federkraft den Versatz, und damit die Verdrängung, erhöht.
Die genannten Schriften offenbaren verschiedene Möglichkeiten, mit elektrisch betätigbaren Ventilen den Zustrom von Öl in die Steuerkammer zu beeinflussen und so in die rein hydraulische Regelung einzugreifen.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde eine Flügelpumpe mit variabler Verdrängung entwickelt. Diese Flügelpumpe umfasst ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass, einen zur Rotation um eine Drehachse antreibbaren Rotor sowie eine Mehrzahl von an den Rotor gekoppelten Flügeln. Weiterhin ist ein Begrenzerring vorgesehen, mit dem die Flügel in Eingriff stehen, so dass sie gemeinsam mit dem Begrenzerring eine Mehrzahl von Pumpkammern bilden. Diese Pumpkammern sind bei Bewegung der Flügel durch den Rotor im Wechsel in Verbindung mit dem Einlass und mit dem Auslass bringbar, wobei die Volumenveränderung, die die Pumpkammern bei Bewegung der Flügel erfahren, vom Versatz d zwischen der Symmetrieachse des Begrenzerrings und der Drehachse des Rotors abhängt.
Erfindungsgemäß ist der Begrenzerring an mindestens ein lineares Stellglied gekoppelt. Dieses Stellglied ist dazu ausgebildet, bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung U, und/oder mit einem elektrischen Strom I, eine Kraft Fs, und/oder ein Drehmoment ms, auf den Begrenzerring auszuüben, und damit den Versatz d zwischen der Symmetrieachse und der Drehachse zu verändern.
Der wesentliche Unterschied zum Stand der Technik liegt darin, dass die ausgeübte Kraft Fs, bzw. das ausgeübte Drehmoment ms, vom aktuell zur Verfügung stehenden Öldruck p unabhängig ist. Dies ist zunächst einmal mit der Änderung verbunden, dass die Kraft Fs, bzw. das Drehmoment ms, vollständig durch das lineare Stellglied selbst aufgebracht werden muss. Der Öldruck p steht insofern nicht mehr als Hilfsenergiequelle zur Verfügung. Zum einen bedeutet das, dass das lineare Stellglied in Bezug auf den Verstellweg und die ausübbare Kraft größer zu dimensionieren ist. Zum anderen wird die für den Eingriff in die Verdrängung benötigte Energie nicht mehr aus der vom Motor gelieferten und im Öldruck gespeicherten mechanischen Energie bezogen, sondern aus dem Bordnetz, was den Umweg über die Lichtmaschine erforderlich macht und den Wirkungsgrad tendenziell herabsetzt.
Es wurde jedoch erkannt, dass der Verlust der Hilfsenergiequelle durch eine erheblich größere Flexibilität bei der Regelung des Öldrucks p überkompensiert wird. Dies und die im Vergleich zur bisherigen hydraulischen Regelung verbesserte Regelgüte führen dazu, dass die Ölpumpe insgesamt deutlich weniger mechanische Energie vom Motor abzweigt, so dass im Endeffekt netto Energie eingespart wird.
Durch die Anpassung der Verdrängung auf elektrischem Wege ist es insbesondere möglich, den Öldruck p abhängig vom Betriebspunkt des Verbrennungsmotors auf beliebige Sollwerte, beispielsweise im Bereich zwischen 1 und 4 bar, zu regeln mit der geforderten Genauigkeit von ± 0,25 bar. Der elektrische Eingriff in die Verdrängung ist mit einer erheblich größeren Flankensteilheit möglich als ein hydraulischer Eingriff, insbesondere dann, wenn der aktuelle Öldruck p niedrig ist. Beispielsweise kann ein Wechsel vom niedrigsten zum höchsten Sollwert innerhalb von 0,7 s bis 1 s veranlasst werden.
Mit der hinzugewonnenen Flexibilität ist es beispielsweise möglich, den Öldruck p der Öltemperatur T anzupassen, wenn die Vorgabe besteht, eine bestimmte Flussrate Q an Öl in den Motor zu fördern. Der Zusammenhang zwischen p, T und Q ist gegeben durch eine Funktion der Form p=a(T)*Q²+b(T)*Q, worin a(T) und b(T) jeweils temperaturabhängige Koeffizienten sind. Auch die volumetrische Effizienz der Ölpumpe selbst ist von der Öltemperatur T abhängig.
Weiterhin ist die Ölpumpe einfacher und kompakter zu bauen, da Wirkflächen und Leitungen für die hydraulische Rückkopplung des aktuellen Öldrucks p entfallen können.
Die Ölpumpe ist für die Betriebssicherheit relevant, da eine Unterversorgung mit Öl in kurzer Zeit zum Motorschaden führen kann. Daher ist vorteilhaft der Begrenzerring durch eine Feder vorgespannt, die den Versatz d zwischen der Symmetrieachse des Begrenzerrings und der Drehachse des Rotors, und damit auch die Verdrängung pro Umdrehung des Rotors, erhöht. Die Feder ist auch bei Ausfall der elektrischen Versorgung wirksam. Somit stellt sich im Fehlerfall eine Verdrängung ein, die zwar möglicherweise unnötig hoch ist und viel Energie verbraucht, aber eine sichere Schmierung des Motors gewährleistet.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Sicherheitsschaltkreis vorgesehen, der das Stellglied bei Ausfall der elektrischen Versorgung in eine Position überführt, die zu einem höheren Versatz d korrespondiert. Da bei stationärem Betrieb des Motors an einem Betriebspunkt der Öldruck p nicht permanent geändert werden muss, ist es in Bezug auf den Energieverbrauch vorteilhaft, ein Stellglied einzusetzen, das seinen aktuellen Zustand auch ohne permanentes Anlegen einer Spannung U oder eines Stroms I beibehält. Die Kehrseite hiervon ist, dass im Fehlerfall die für die Vorspannung verwendete Feder die Haltekraft des Stellglieds überwinden muss, damit beispielsweise auch bei plötzlich steigender Lastanforderung an den Motor genügend Öl gefördert wird. Der Sicherheitsschaltkreis schließt diese Lücke.
Vorteilhaft ist der Begrenzerring in dem Gehäuse an einem Drehpunkt angelenkt. Dann ist der Kraftarm, mit dem das Stellglied, bzw. die Feder, am Begrenzerring angreift, ein weiterer Freiheitsgrad für die Dimensionierung.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Stellglied dazu ausgebildet, bei Beaufschlagung mit der Spannung U, und/oder mit dem Strom I, seine Länge L zu ändern.
Beispielsweise kann ein piezoelektrisches Element verwendet werden. Ein solches Element hat nur eine relativ geringe Längenänderung bezogen auf das angelegte elektrische Feld, jedoch kann der Verstellweg beispielsweise mit einem Trägheitsantrieb oder einem Inchworm-Motor vergrößert werden.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Stellglied mindestens einen Kondensator mit zwei Elektroden und einem zwischen den Elektroden angeordneten elastischen Dielektrikum. Die Elektroden können beispielsweise im Wesentlichen in einer Ebene verlaufen. Das Speichern von Ladungen in einem derartigen Kondensator bewirkt, dass sich die entgegengesetzt geladenen Elektroden mit einer Maxwell-Kraft F_M anziehen. Diese Maxwell-Kraft F_M drückt das Dielektrikum zusammen, so dass sich der Kondensator als Ganzes analog einem Muskel zusammenzieht. Dieser Zustand bleibt auch dann erhalten, wenn die Spannungsquelle entfernt wird. Erst wenn die Ladung von den Elektroden abgeflossen ist, drückt die elastische Rückstellkraft des Dielektrikums den Kondensator in seine ursprüngliche Form zurück. Im Kontext der Erfindung bedeutet dies, dass elektrische Energie nur für eine Änderung der Verdrängung der Flügelpumpe aufgewendet werden muss, nicht jedoch zur bloßen Erhaltung des aktuellen Zustands.
Vorteilhaft ist das Dielektrikum ein Elastomer. Dann ist das Zusammendrücken des Dielektrikums durch die Maxwell-Kraft vollständig reversibel, d.h., das Dielektrikum findet wieder in seine ursprüngliche Form zurück. Innerhalb der Lebensdauer der Ölpumpe sind etwa 2 Millionen Wechselzyklen zwischen der niedrigsten und der höchsten Verdrängung zu erwarten. Vorteilhaft weist das Elastomer eine möglichst geringe viskoelastische Dämpfung auf. Diese Dämpfung führt zu mechanischen Energieverlusten und zu einer Erwärmung des Kondensators.
Der Kondensator kann insbesondere als dielektrisches elektro-aktives Polymer, DEAP, ausgebildet sein, in dem das Dielektrikum fest an zwei mit dem Dielektrikum dehnbare Elektroden gekoppelt ist. Dazu kann beispielsweise das Dielektrikum beidseitig mit den Elektroden beschichtet sein. Indem die Elektroden mit dem Dielektrikum dehnbar sind, wirkt das zwischen den Elektroden anliegende elektrische Feld auch dann noch auf das gesamte Dielektrikum, wenn sich dieses ausdehnt. Dabei ist das Zusammendrücken des Dielektrikums in gewisser Weise ein selbstverstärkender Effekt: Indem sich der Abstand zwischen den Elektroden verringert, vergrößert sich bei gleichbleibender Ladungsmenge auf den Elektroden zugleich das elektrische Feld, das umgekehrt proportional zum Abstand ist. Dies erhöht die Maxwell-Kraft F_M und drückt das Dielektrikum weiter zusammen. Dieser Kreislauf endet erst, wenn sich die Maxwell-Kraft F_M und die elastische Rückstellkraft des Elastomers die Waage halten. Das Dielektrikum kann sich beispielsweise auf 30 % seiner ursprünglichen Dicke zusammendrücken lassen.
Vorteilhaft weist das Dielektrikum eine Dielektrizitätskonstante ε von 2 oder mehr, bevorzugt von 3 oder mehr, auf. Je größer ε ist, desto größer ist die Maxwell-Kraft beim Anlegen eines gegebenen elektrischen Feldes an den Kondensator. Weiterhin ist ε auch ein Maß dafür, wie gut das Dielektrikum isoliert, d.h., wie lange es dauert, bis der Kondensator sich von sich aus entlädt und Ladungen von außen nachgespeist werden müssen, damit das Stellglied seinen aktuellen Zustand beibehält.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Stellglied eine Stapelung mehrerer Kondensatoren auf, wobei in jedem Kondensator das Dielektrikum im entladenen Zustand des Kondensators eine Dicke von 100 µm oder weniger aufweist. Die Maxwell-Kraft F_M hängt quadratisch von der elektrischen Feldstärke ab, welche wiederum umgekehrt proportional zur Dicke des Dielektrikums ist. Durch eine Aufteilung des Dielektrikums auf viele dünne Schichten lässt sich also die nutzbare Maxwell-Kraft F_M überproportional steigern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Stellglied einen elektrisch angetriebenen Motor und Mittel zur Übersetzung der Rotation des Motors in eine Linearbewegung auf. Beispielsweise kann der Motor eine Schraube oder eine Zahnstange antreiben, die dann ihrerseits am Begrenzerring angreift. Durch eine entsprechende Übersetzung oder durch Verwendung eines Motors, der im stromlosen Zustand blockiert, kann auch bei dieser Antriebsart sichergestellt werden, dass der aktuelle Zustand des Stellglieds auch ohne ständige Energiezufuhr erhalten bleibt.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Figurenliste
Es zeigt:

1 Ausführungsbeispiel einer Flügelpumpe 1 gemäß der Erfindung;
2 Ausführungsbeispiel eines Kondensators 61 für das Stellglied 6;
3 Ausführungsbeispiel des Stellglieds 6 mit Elektromotor;
4 Ausführungsbeispiel einer Flügelpumpe 1 mit an Punkt 27 angelenktem Begrenzerring 5;
5 Speisung des Kondensators 61 aus dem Bordnetz 8 eines Kraftfahrzeugs.

Nach 1 umfasst die Flügelpumpe 1 ein Gehäuse 2, in dem ein Rotor 3 um eine Drehachse 30 drehbar gelagert ist. Die Verbindung zum Verbrennungsmotor als Antriebsquelle ist in 1 nicht eingezeichnet. Der Rotor 3 hat Schlitze 31-38, in denen die Flügel 41-48 geführt sind. Federn 31a-38a drücken die Flügel 41-48 an den Innenumfang des Begrenzerrings 5. Hierdurch bilden sich Pumpkammern 51-58.
In dem in 1 gezeigten Zustand haben die Pumpkammern 51-58 unterschiedliche Volumina. Wenn eine der Pumpkammern 51-58 den Einlass 21 der Flügelpumpe 1 passiert, wird ihr Volumen maximal, so dass Öl in diese Pumpkammer 51-58 eingesaugt wird. Bewegt sich diese Pumpkammer 51-58 anschließend in Richtung des Auslasses 22, so nimmt das Volumen dieser Pumpkammer 51-58 stetig ab, d.h., das darin befindliche Öl wird unter Druck gesetzt. Ursache hierfür ist, dass die Symmetrieachse 50 des Begrenzerrings 5 um einen Versatz d gegenüber der Drehachse 30 des Rotors verschoben ist. Wären die Symmetrieachse 50 und die Drehachse 30 deckungsgleich, würde sich das Volumen der Pumpkammern 51-58 nicht mehr ändern, und es würde allenfalls noch eine minimale Menge an Öl gefördert.
In dem in 1 gezeigten Zustand zieht die Feder 7 den Begrenzerring 5 mit einer Kraft F_F in die Position, in der der Versatz d maximal ist. In dieser Position befindet sich der Begrenzerring 5 im Eingriff mit den Backen 25 und 26.
Ausgehend von diesem Zustand kann der Begrenzerring 5 nach rechts auf die Backen 23 und 24 bewegt werden, die zu der Position des Begrenzerrings 5 korrespondieren, in der dessen Symmetrieachse 50 mit der Drehachse 30 des Rotors 3 deckungsgleich ist. Hierzu wird das Stellglied 6 mit einer Spannung U aus der Spannungsquelle 65 angesteuert und verkürzt seine Länge L, wodurch eine Kraft Fs auf den Begrenzerring 5 ausgeübt wird.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Kondensator 61, der in einem Stellglied 6 zur Kraftausübung verwendet werden kann. Der Kondensator 61 ist über einen Schalter 64 mit der Spannungsquelle 65 verbunden. Der Kondensator 61 besteht aus zwei Elektroden 62a und 62b mit einem dazwischen angeordneten elastischen Dielektrikum 63. Die Elektroden 62a und 62b bilden in Kombination mit dem Dielektrikum ein dielektrisches elektroaktives Polymer, DEAP.
In dem in 2a gezeigten Zustand ist der Schalter 64 geöffnet. Es befindet sich keine Ladung auf den Elektroden 62a und 62b des Kondensators 61. Dementsprechend befindet sich das Dielektrikum 63 im kraftfreien Normalzustand.
In dem in 2b gezeigten Zustand ist der Schalter 64 geschlossen. Die Spannung U aus der Spannungsquelle 65 liegt zwischen den Elektroden 62a und 62b des Kondensators 61 an. Dementsprechend ziehen sich die Elektroden 62a und 62b mit der Maxwell-Kraft F_M. Durch diese Kraft F_M wird das Dielektrikum 63 zusammengedrückt. Die Elektroden 62a und 62b haben minimalen Abstand voneinander. Da die Elektroden 62a und 62b fest an das Dielektrikum 63 gekoppelt sind, dehnen sie sich gemeinsam mit dem Dielektrikum 63 seitlich aus. Die Flächen des Dielektrikums 63, die die beiden Elektroden 62a und 62b tragen, bleiben also trotz der seitlichen Ausdehnung des Dielektrikums 63 vollständig mit den Elektroden 62a und 62b belegt, d.h., das Dielektrikum 63 steht nicht seitlich über die Elektroden 62a und 62b hinaus ab.
In dem in 2b gezeigten Zustand ist das Stellglied 6 zusammengezogen, analog einem Muskel. Der Unterschied zum Muskel ist, dass der Zustand auch nach dem Öffnen des Schalters 64 erhalten bleibt. Um den in 2a gezeigten Zustand wieder herzustellen, muss der Kondensator 61 daher entladen werden.
2c zeigt einen Sicherheitsschaltkreis 67, mit dem der Kondensator 67 automatisch entladen werden kann, wenn die Spannungsquelle 65 ausfällt. Unabhängig von der Stellung des Schalters 64 ist ein Umschalter 66 über eine Steuerleitung mit der Spannungsquelle 65 verbunden. Dies schaltet den Umschalter 66 gegen die Rückstellkraft einer Feder 66a in die in 2c gezeigte Schaltstellung, in der die Elektrode 62a des Kondensators 61 mit dem Ausgang des Schalters 64 verbunden ist. Der Kondensator 61 kann also durch Schließen des Schalters 64 aufgeladen und zusammengedrückt werden, und dieser Zustand bleibt dann auch nach dem Öffnen des Schalters 64 erhalten.
Fällt die Spannungsquelle 65 aus, drückt die Feder 66a den Umschalter 66 in die in 2c nicht gezeigte Schaltstellung, in der der Kondensator 61 über den Entladewiderstand 67a kurzgeschlossen wird. Der Kondensator 61 nimmt dann wieder seinen ursprünglichen Zustand ein. Das Stellglied 6 dehnt sich wieder auf seine ursprüngliche Länge L aus. In diesem Zustand kann die Feder 7 den Begrenzerring 5 wieder in den Zustand maximalen Versatzes d überführen, ohne durch das Stellglied 6 daran gehindert zu werden. Der Entladewiderstand 67a sollte so dimensioniert sein, dass der maximale Entladestrom des Kondensators 61 auf einen Wert begrenzt wird, der noch nicht zu einer Schädigung der Elektroden 62a und 62b, und/oder des Dielektrikums 63, führt. Eine derartige Schädigung könnte beispielsweise daher rühren, dass als dünne Schichten auf das Dielektrikum 63 aufgebrachte Elektroden 62a und 62b sich bei einem hohen Entladestrom stark erwärmen.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Stellglieds 6. Hier treibt ein Elektromotor 68 ein Zahnrad 69a an, das in eine Zahnstange 69b eingreift. Das Zahnrad 69a und die Zahnstange 69b bilden die Mittel 69 zur Übersetzung einer Drehbewegung des Elektromotors 68 in eine Linearbewegung des Begrenzerrings 5.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Flügelpumpe 1. Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist hier der Begrenzerring 5 an einem Punkt 27 im Gehäuse 2 angelenkt. Diese Zwangsbedingung setzt die durch die Feder 7 einerseits und durch das Stellglied 6 andererseits eingebrachten Kräfte F_F bzw. Fs in Drehmomente m_F bzw. ms um. Für nicht zu große Winkel θ der Auslenkung des Begrenzerrings 5 um die in 4 gezeigte Lage lässt sich die Auslenkung als Verschiebung des Hebels 59, an dem die Feder 7 und das Stellglied 6 jeweils mit dem Hebelarm rs angreifen, approximieren.
Die wichtigsten Kenngrößen für die konkrete Dimensionierung sind die Steifigkeit C_P der Feder 7, das elastische Young-Modul Y_S und die Dielektrizitätskonstante ε des im DEAP-Kondensator 61 enthaltenen Dielektrikums 63, die Querschnittsfläche As und Kantenlänge bs des Dielektrikums 63 sowie die Vorspannungen x_P und X_S der Feder 7 bzw. des Dielektrikums 63.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Spannungsquelle 65 zur Speisung des Kondensators 61 im Stellglied 6 aus dem Bordnetz 8 eines Kraftfahrzeugs. Das Bordnetz 8 führt die Spannung Uv von typischerweise 12 V, bei Nutzfahrzeugen auch 24 V. Zum Aufladen des Kondensators 61 wird jedoch eine Spannung Us von typischerweise etwa 400 V benötigt. Es ist technisch möglich, einen so großen Spannungsunterschied mit einem einfachen Schaltnetzteil zu überbrücken, jedoch ist die Systemdynamik schlecht.
Daher wird die Spannung Uv des Bordnetzes 8 zunächst mit einem ersten Schaltnetzteil 65a auf ein Zwischenniveau Uw angehoben, das höher ist als das letztendlich benötigte Niveau Us. Mit der Spannung Uw wird ein Pufferkondensator 65b aufgeladen. Die Spannung Uw wird anschließend mit einem zweiten Schaltnetzteil 65c auf das Niveau Us gebracht.
Das erste Schaltnetzteil 65a enthält eine eingangsseitige Drossel Lv sowie zwei getaktete Schalter S_V1 und S_V2. Der Schalter S_V1 besteht aus einem Schaltelement Z_V1 und einer parallel hierzu geschalteten Diode D_V1. Der Schalter S_V2 besteht aus einem Schaltelement Z_V2 und einer hierzu parallel geschalteten Diode D_V2. Die Drossel Lv verhindert, dass die Taktung der Schalter S_V1 und S_V2 Störungen in das Bordnetz 8 zurückkoppelt.
Das zweite Schaltnetzteil 65c ist analog aufgebaut mit Schaltern S_W1 und S_W2, die ein Schaltelement Z_W1 und eine hierzu parallele Diode D_W1, bzw. ein Schaltelement Z_W2 und eine hierzu parallele Diode D_W2, umfassen. Ausgangsseitig des Schaltnetzteils 65c ist eine Drossel Lw angeordnet, die den Kondensator 61 von Störimpulsen durch die Taktung der Schalter S_W1 und S_W2 entkoppelt.
Der Kondensator 61 ist in 5 als Ersatzschaltbild gezeichnet. Eine ideale Kapazität Cs ist in Reihe mit einem Innenwiderstand Rs sowie parallel zu einem Verlustwiderstand Gs, welcher eine Selbstentladung der Kapazität Cs bewirkt, gezeichnet.
Die auf den drei Spannungsebenen Uv, Uw bzw. Us jeweils fließenden Ströme sind mit I_V, I_W bzw. I_S bezeichnet.
In dem in 5 gezeigten Beispiel mit einer Spannung Us von etwa 400 V sind MOSFET-Transistoren als Schaltelemente Z_V1, Z_V2, Z_W1 und Z_W2 einsetzbar. Es gibt jedoch auch DEAP-Kondensatoren 61, die mit einer Spannung Us von 3 kV betrieben werden. Hier können IGBT-Transistoren als Schaltelemente Z_V1, Z_V2, Z_W1 und Z_W2 verwendet werden. Die Verwendung von MOSFET-Transistoren hat den Vorteil, dass durch die deutlich höhere mögliche Schaltfrequenz in jedem einzelnen Schaltzyklus weniger Energie umgesetzt werden muss. Daher können in der Leistungselektronik kleinere und preiswertere passive Komponenten eingesetzt werden.
Die beiden Schaltnetzteile 65a und 65c werden asymmetrisch betrieben: Das erste Schaltnetzteil 65a arbeitet mit einer festen Schaltfrequenz von im vorliegenden Beispiel 20 kHz. Die Schaltfrequenz des zweiten Schaltnetzteils 65c hingegen wird situationsabhängig angepasst, um die Anzahl der Schaltzyklen zu minimieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9410514 B2 [0004]
US 2015285246 A1 [0004]

Claims

Flügelpumpe (1) mit variabler Verdrängung, umfassend ein Gehäuse (2) mit einem Einlass (21) und einem Auslass (22), einen zur Rotation um eine Drehachse (30) antreibbaren Rotor (3) sowie eine Mehrzahl von an den Rotor (3) gekoppelten Flügeln (41-48), weiterhin umfassend einen Begrenzerring (5) mit einer Symmetrieachse (50), wobei die Flügel (41-48) mit dem Begrenzerring (5) in Eingriff stehen und gemeinsam mit dem Begrenzerring (5) eine Mehrzahl von Pumpkammern (51-58) bilden, die bei Bewegung der Flügel (41-48) durch den Rotor (3) im Wechsel in Verbindung mit dem Einlass (21) und mit dem Auslass (22) bringbar sind, wobei die Volumenveränderung, die die Pumpkammern (51-58) bei Bewegung der Flügel (41-48) erfahren, vom Versatz d zwischen der Symmetrieachse (50) und der Drehachse (30) abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzerring (5) an mindestens ein lineares Stellglied (6) gekoppelt ist, welches dazu ausgebildet ist, bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung U, und/oder mit einem elektrischen Strom I, eine Kraft Fs, und/oder ein Drehmoment m_s, auf den Begrenzerring (5) auszuüben, und damit den Versatz d zwischen der Symmetrieachse (50) und der Drehachse (30) zu verändern.
Flügelpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzerring (5) durch eine Feder (7) vorgespannt ist, die den Versatz d erhöht.
Flügelpumpe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sicherheitsschaltkreis (67) vorgesehen ist, der das Stellglied (6) bei Ausfall der elektrischen Versorgung in eine Position überführt, die zu einem höheren Versatz d korrespondiert.
Flügelpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzerring (5) in dem Gehäuse (2) an einem Drehpunkt (27) angelenkt ist.
Flügelpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (6) dazu ausgebildet ist, bei Beaufschlagung mit der Spannung U, und/oder mit dem Strom I, seine Länge L zu ändern.
Flügelpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (6) mindestens einen Kondensator (61) mit zwei Elektroden (62a, 62b) und einem zwischen den Elektroden (62a, 62b) angeordneten elastischen Dielektrikum (63) umfasst.
Flügelpumpe (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (63) ein Elastomer ist.
Flügelpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (61) als dielektrisches elektro-aktives Polymer, DEAP, ausgebildet ist, in dem das Dielektrikum (63) fest an zwei mit dem Dielektrikum (63) dehnbare Elektroden (62a, 62b) gekoppelt ist.
Flügelpumpe (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (63) eine Dielektrizitätskonstante ε von 2 oder mehr, bevorzugt von 3 oder mehr, aufweist.
Flügelpumpe (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (6) eine Stapelung mehrerer Kondensatoren (61) aufweist, wobei in jedem Kondensator (61) das Dielektrikum (63) im entladenen Zustand des Kondensators eine Dicke von 100 µm oder weniger aufweist.
Flügelpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (6) einen elektrisch angetriebenen Motor (68) und Mittel (69) zur Übersetzung der Rotation des Motors (68) in eine Linearbewegung aufweist.
Flügelpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ausgebildet als Ölpumpe für die Schmierstoffversorgung eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug.