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Die Erfindung betrifft eine Pumpvorrichtung.
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Die erfindungsgemäße Pumpvorrichtung ist gekennzeichnet, durch zwei Rotationskörper mit jeweils mindestens einem Kreis- oder Ringsegment, wobei die Segmente der beiden Rotationskörper in einem Zylinderraum gemeinsam in einer Richtung und zwischen zwei Drehanschlagpositionen relativ gegeneinander um die Zylinderachse drehbar sind, wobei sich durch relative Drehung der Rotationskörper gegeneinander ein über einen Einlass ein Fluid aufnehmender Transportraum bilden und sich gleichzeitig ein vorangehend gebildeter Transportraum unter Ausströmung von Fluid durch einen Auslass aufheben lässt, und wobei durch gemeinsame Drehung der Rotationskörper der Transportraum von dem Einlass zu dem Auslass bewegbar ist, sowie durch Antriebseinrichtungen zur gemeinsamen und relativen Drehung der Rotationskörper.
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Ein durch die Pumpvorrichtung zu förderndes Medium gelangt über den Einlass in den sich bildenden und sich aufweitenden Transportraum. Durch gemeinsame Drehung der Rotationskörper im gleichen Drehsinn mit gleicher Geschwindigkeit dreht sich auch der Transportraum um die Zylinderachse und gelangt so in Strömungsverbindung mit dem Auslass. Durch Verlangsamung und ggf. Stillsetzung des voraneilenden Rotationskörpers oder Beschleunigung des nacheilenden Rotationskörpers verringert sich das Volumen des Transportraums, so dass, so lange der Auslass in Strömungsverbindung mit dem Transportraum verbleibt, das Medium entsprechend der Volumenverringerung durch den Auslass ausströmt. Je nach Geschwindigkeit des voraneilenden Rotationskörpers kann das Transportvolumen während dieser Zeit ganz oder teilweise aufgehoben werden.
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Während der vollständigen oder teilweisen Aufhebung des Transportraums entsteht im Winkel versetzt ein neuer Transportraum, der wiederum zu dem Einlass ausgerichtet ist. Entsprechend lässt sich der vorangehend beschriebene Transportvorgang mit dem neuen Transportraum wiederholen usw..
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die in den Drehanschlagpositionen gebildeten Transporträume zueinander um 180 ° versetzt. Entsprechend im gleichen Winkel erstrecken sich die Kreis- oder Ringsegmente. Alternativ könnten sich über unterschiedliche Winkel erstreckende Kreis- oder Ringsegmente vorgesehen sein, wobei dann bei mehreren Kreis- oder Ringsegmenten je Rotationskörper über den Umfang des Zylinderraums verteilt mehrere Ein- und Auslässe anzuordnen wären.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Antriebseinrichtungen nicht nur eine sondern zwei elektrische Maschinen auf, die jeweils einem der beiden Rotationskörper zugeordnet sind.
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Es versteht sich, dass die zwei elektrischen Maschinen vorzugsweise koaxial zur Zylinderachse angeordnet sind, wobei sich insbesondere die Rotationskörper den Rotor der ihnen zugeordneten elektrischen Maschine umfassen.
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Die Rotoren der elektrischen Maschinen können als topfförmige Außenrotoren ausgebildet sein, von deren Böden sich die Kreis- oder Ringsegmente axial erstrecken.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Einrichtung zur Steuerung einer elektrischen Antriebsmaschine oder zur gemeinsamen Steuerung zweier elektrischer Maschinen vorgesehen, wobei die Steuereinrichtung Einrichtungen zur Bestimmung der Drehposition des Rotors oder der Rotoren der beiden elektrischen Maschinen umfasst.
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Während die Einrichtungen zur Bestimmung der Drehpositionen Signale in den elektrischen Maschinen untergebrachter Sensoren, z.B. Hallsensoren, auswerten können, sind sie in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zur Bestimmung der Drehposition unter Auswertung an der Polwicklungsverdrahtung der elektrischen Maschinen abgegriffener Spannungs- oder/und Stromsignale ausgebildet, wie dies z.B. in
WO 99/09645 beschrieben ist. Im letzteren Fall lässt sich eine besonders präzise und wenig störanfällige Steuerung der elektrischen Maschinen durchführen.
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Der Stator bzw. die Statoren der elektrischen Maschinen kann bzw. können in einer Ausführungsform in einem gemeinsamen, sich durch den Zylinderraum hindurch erstreckenden Kern vergossen sein, wobei zweckmäßig auf diesem Kern die die Rotoren mit umfassenden Rotationskörper drehbar gelagert sind. Durch den Kern können Versorgungs- und Signalleitungen z.B. für beide elektrischen Maschinen verlegt und ggf. eine Steuerelektronik untergebracht sein.
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In einer Ausführungsform, in welcher die Antriebseinrichtungen nur eine einzige elektrische Maschine zum direkten Antrieb von einem der Rotationskörper umfassen, ist vorzugsweise das Trägheitsmoment des angetriebenen Rotationskörpers kleiner als das Trägheitsmoment des weiteren Rotationskörpers. In diesem Fall lässt sich bei etwa gleichbleibender Drehgeschwindigkeit des weiteren Rotationskörpers der angetriebene Rotationskörper temporär beschleunigen und so ein Transportraum entleeren und gleichzeitig ein neuer Transportraum bilden und befüllen.
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In einem Anwendungsfall kann die Pumpvorrichtung in einen Kolben eines Hydraulikaktors eingebaut sein, um unter Bewegung des Kolbens im Innern eines Hydraulikzylinders ein Hydraulikmedium von einer Seite des Kolbens zur anderen Seite zu befördern.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der beiliegenden, sich auf dieses Ausführungsbeispiel beziehenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Pumpvorrichtung in einem Längsschnitt,
- 2 die Pumpvorrichtung von 1 in einem Querschnitt gemäß Schnittebene I-I,
- 3 ein Schaltschema der Pumpvorrichtung von 1,
- 4 eine die Funktion der Pumpvorrichtung von 1 bis 3 erläuternde Darstellung,
- 5 einen die Pumpvorrichtung von 1 bis 3 verwendenden Hydraulikaktor,
- 6 und 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Pumpvorrichtung, und
- 8 eine weitere Anwendungsmöglichkeit für Pumpvorrichtungen nach der Erfindung.
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Eine Pumpvorrichtung umfasst ein Gehäuse aus einem Zylinderrohr 1 und mit dem Zylinderrohr 1 verschraubten Stirnplatten 2 und 2'.
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Von den Stirnplatten 2,2' erstreckt sich jeweils ein schematisch durch Kreuzschraffierung gekennzeichneter, zur Zylinderrohrachse 3 koaxialer Stator 4 bzw. 4' einer elektrischen Maschine, wobei die Statoren 4,4' in entgegengesetzten axialen Richtungen von den jeweils einen Statorträger bildenden Stirnplatten 2,2' vorstehen.
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Neben dem Stator 4 bzw. 4' umfassen die elektrischen Maschinen jeweils einen zur Zylinderrohrachse 3 koaxialen Rotor 5 bzw. 5', der als Außenrotor drehbar auf dem betreffenden Stator 4 bzw. 4' oder/und drehbar auf der Innenseite des Zylinderrohrs 1 gelagert ist. Von einer Bodenwand 6 bzw. 6' der in dem gezeigten Beispiel topfförmigen Rotoren 5,5' steht jeweils in axialer Richtung ein Kreissegment vor, das mit dem Rotor 5 bzw. 5' einen Rotationskörper 7 bzw. 7' bildet, wobei das Kreissegment jeweils bis an die andere Bodenwand 6' bzw. 6 heranreicht.
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Wie 2 erkennen lässt, erstreckt sich das Kreissegment der Rotationskörper 7,7' im Querschnitt jeweils über einen Winkel < 180 °. In der in 2 gezeigten Stellung der Rotationskörper 7,7' zueinander ist ein sich von der Bodenplatte 6 bis zu der Bodenplatte 6' erstreckender Transportraum 8 gebildet, der durch die Bodenplatten 6,6', das Zylinderrohr 1 und die Rotationskörper 7,7' begrenzt ist.
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In der in 2 gezeigten Drehstellung der Rotationskörper 7,7' mündet in den Transportraum 8 ein an der Stirnplatte 2' nach außen öffnender Verbindungskanal 9', der durch eine Nutenausnehmung in der Rohrwand des Zylinderrohrs 1 und eine entsprechende Ausnehmung in der Stirnplatte 2' gebildet ist. Ein weiterer derartiger Verbindungskanal 9, der zu dem Verbindungskanal 9' um 180 ° versetzt angeordnet ist, öffnet nach außen in der Stirnplatte 2.
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Wie 3 zeigt, ist durch den Stator 4 und Rotor 5 sowie den Stator 4' und Rotor 5' gebildeten elektrischen Maschine 10 und 10' jeweils eine Leistungssteuereinrichtung 11 bzw. 11' zugeordnet, wobei die Leistungssteuereinrichtungen 11,11' in Verbindung mit einer beiden elektrischen Maschine 10,10' gemeinsamen Steuerung 12 stehen und durch die gemeinsame Steuerung 12 über Leitungen 13 bzw. 13' ansteuerbar sind. Die gemeinsame Steuerung 12 steht ferner direkt mit den elektrischen Maschinen 10,10' über Signalleitungen zur Übertragung eines für die Position des Rotors 5 bzw. 5' repräsentativen Signals in Verbindung.
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Bei den übertragenen Signalen kann es sich um Sensorsignale, z.B. Signale einer HallSonde, handeln. Vorzugsweise erfolgt jedoch eine sensorlose Positionsermittlung, indem an der Polwicklungsverdrahtung der elektrischen Maschine ein für die Drehposition repräsentatives geeignetes Spannungs- oder/und Stromsignal abgegriffen wird, z.B. ein Spannungssignal am Sternpunkt.
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Die gemeinsame Steuerung 12 kann dafür sorgen, dass sich die Rotoren 5,5' mit den Rotationskörpern 7,7' gemeinsam in gleicher Richtung mit gleicher oder unterschiedlicher Geschwindigkeit oder in zueinander entgegengesetzten Richtungen drehen.
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Um mit Hilfe der vorangehend beschriebenen Pumpvorrichtung ein Medium 15, z.B. von der Seite der Stirnplatte 2' auf die Seite der Stirnplatte 2 der Pumpvorrichtung, zu befördern, kann das Medium 15 in der in 2 gezeigten Position der Rotationskörper 7,7' über den Verbindungskanal 9' in den Transportraum 18 fließen. Durch gemeinsame Drehung der Rotationskörper 7,7' durch die elektrischen Maschinen 10,10' in gleicher Richtung bei gleicher Geschwindigkeit lässt sich der Transportraum 8 mit dem darin enthaltenen Medium 15 gemäß 4 um 180 ° drehen und zu dem weiteren Verbindungskanal 9 ausrichten. Indem die Steuerung 12 nun dafür sorgt, dass sich die Rotationskörper 7,7' gegeneinander drehen, lässt sich der um 180 ° verdrehte Transportraum 8 unter Ausstoß des Mediums 15 durch den Kanal 9 hindurch aufheben. Gleichzeitig entsteht um 180 ° versetzt der in 2 gezeigte Transportraum 8 von neuem.
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Es versteht sich, dass sich die Rotationskörper 7,7' beim Ausstoß bzw. Füllvorgang nicht absolut gegeneinander drehen müssen, sondern sich in gleicher Richtung aber unterschiedlicher Geschwindigkeit relativ gegeneinander drehen können. Insbesondere kann beim Ausstoß-/Füllvorgang einer der beiden Rotationskörper in Ruhe sein. Die elektrischen Maschinen 10,10' mit den Rotationskörpern 7,7' ließen sich auch so steuern, dass der Transportraum 8 jeweils nur unvollständig entleert bzw. befüllt wird.
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Indem die gemeinsame Steuerung 12 ständig die Drehposition der Rotoren 5,5' ermittelt, können die Rotationskörper 7,7' stets in gewünschter Weise zueinander ausgerichtet werden. Insbesondere eine sensorlose Drehpositionsermittlung vereinfacht bei hoher Auflösung die Konstruktion der Pumpvorrichtung.
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Abweichend von dem gezeigten Ausführungsbeispiel könnten der Stator 4 und der Stator 4' auf einem gemeinsamen durchgehenden Kern sitzen und die Rotationskörper auf dem Kern drehbar sein.
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5 zeigt einen die vorangehend beschriebene Pumpvorrichtung benutzenden Hydraulikaktor mit einem Zylinder 16, einem Kolben 17 und einer Kolbenstange 18. In den Kolben 17 ist eine solche Pumpvorrichtung eingesetzt, die Hydrauliköl von einem Teilraum 19 in einen anderen Teilraum 20 des Zylinders 16 befördert und dabei die Kolbenstange 18 des Hydraulikaktors bewegt. Die Drehbewegung der elektrischen Maschinen 10,10' wird in eine Linearbewegung der Kolbenstange 18 umgesetzt wird.
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Durch Steuerung der Motoren lässt sich eine gewünschte Menge an Hydrauliköl von einem Teilraum 19 in den anderen Teilraum 20 und umgekehrt befördern. Diese gewünschte Menge kann einer gewünschten Verschiebung der Kolbenstange 18 entsprechen. Somit lässt sich durch Steuerung der elektrischen Maschinen 10,10' auch die Linearbewegung der Kolbenstange 18 exakt steuern.
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Es versteht sich, dass Stromversorgungsleitungen und Signalleitungen über die Kolbenstange 18 zugeführt werden können. Das Zylinderrohr 1 der vorangehend beschriebenen Pumpvorrichtung könnte durch das Material des Kolbens 17 bzw. die Wand einer durch den Kolben führenden Bohrung ersetzt sein.
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Ein in 6 und 7 gezeigtes Ausführungsbeispiel für eine Pumpvorrichtung umfasst zwei Rotationskörper 7a und 7a', die in einem Zylinderraum um die Zylinderachse 3a gemeinsam in einer Richtung gemäß Pfeil 27 und zwischen zwei Anschlagpositionen gemäß Pfeilen 28,28' relativ gegeneinander drehbar sind.
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Der Rotationskörper 7a umfasst, wie der Rotationskörper 7 von 1, einen topfförmigen Teil, von dessen Topfboden axial ein Ringsegment 22 vorsteht. Der Rotationskörper 7a' weist einen zylindrischen Teil (nicht gezeigt) auf, von dessen einer Stirnfläche in zu dem Ringsegment 22 entgegengesetzter Richtung ein Rotationskörperteil vorsteht, der einstückig aus einem Ringsegment 23 und einem zylindrischen Achsenteil 24 zusammengesetzt ist. Das Ringsegment 22 reicht bis an die genannte Stirnfläche, der vorstehende Rotationskörperteil bis an den Topfboden heran.
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Wie die 6 und 7 erkennen lassen, begrenzen die Zylinderwand eines den Zylinderraum bildenden Hohlzylinders 25 und die beiden Rotationskörper 7a und 7a' einen Transportraum 8a. In den in 6 gezeigten Drehpositionen der Rotationskörper 7a und 7a' steht dieser Transportraum 8a in Verbindung mit einem Einlasskanal 9a'. In den Drehpositionen der Rotationskörper 7a und 7a' von 7 ist dieser Transportraum 8a zu einem Auslasskanal 9a ausgerichtet.
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Der topfförmige Teil des Rotationskörpers 7a bildet, wie der entsprechende Teil des in 1 dargestellten Rotationskörpers 7, einen Außenrotor einer elektrischen Maschine. Der Rotationskörper 7a' weist vor allem im Bereich des zylindrischen Teils eine deutlich größere Masse als der Rotationskörper 7a auf. Damit ist das Trägheitsmoment des Rotationskörpers 7a' wesentlich höher als das Trägheitsmoments des Rotationskörpers 7a.
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Im Betrieb der Pumpvorrichtung erfolgt durch die elektrische Maschine ein indirekter Antrieb über den Rotationskörper 7a derart, dass sich der Rotationskörper 7a' mit annähernd konstanter Drehgeschwindigkeit dreht. Die Drehgeschwindigkeit des Rotationskörpers 7a übersteigt temporär die Drehgeschwindigkeit des Rotationskörpers 7a'.
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In den in 6 gezeigten Drehstellungen der Rotationskörper 7a und 7a' füllt sich der Transportraum 8a mit einem durch den Einlasskanal 9a' einströmenden Fluid, indem sich infolge höherer Geschwindigkeit des Rotationskörpers 7a der Transportraum 8a bildet und aufweitet. Die Drehgeschwindigkeiten der Rotationskörper 7a und 7a' sowie die Strömungsgeschwindigkeit des zu transportierenden Fluids sind so bemessen, dass sich der Transportraum 8a vollständig füllt, während er mit dem Einlasskanal 9a' in Verbindung steht.
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Aus der in 6 gezeigten Drehposition drehen sich die beiden Rotationskörper 7a und 7a' nach Abkopplung von dem Einlasskanal 9a' dann gemeinsam mit gleicher Drehgeschwindigkeit weiter, wobei der Transportraum 8a schließlich in Verbindung mit dem Auslasskanal 9a gelangt. Unmittelbar nachdem die Verbindung des Transportraums 8a mit dem Auslasskanal 9a hergestellt ist, wird die elektrische Maschine erneut so angesteuert, dass die Drehgeschwindigkeit des Rotationskörpers 7a zunimmt und sich das Volumen des Transportraums 8a unter Abtransport des eingeschlossenen Fluids durch den Auslasskanal 9a hindurch verringert. Die Drehbeschleunigung des Rotationskörpers 7a ist in dem gezeigten Beispiel so bemessen, dass die Aufhebung des Volumens des Transportraums 8a mit der Aufhebung der Verbindung des Transportraums 8a zu dem Auslasskanal 9a zusammenfällt. Abweichend hiervon kann bei Aufhebung der Verbindung mit dem Auslasskanal 9a noch ein mit Fluid gefülltes Restvolumen des Transportraums 8a erhalten geblieben sein.
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Es versteht sich, dass die Ansteuerung der elektrischen Maschine so erfolgen kann, dass der Rotationskörper 7a etwa die gleiche Drehgeschwindigkeit wie der Drehkörper 7a' aufweist, wenn der Drehkörper 7a die Anschlagfläche 26 des Drehkörpers 7a' erreicht. Nach Aufhebung der Fluidverbindung zwischen dem Auslasskanal 9a und dem Transportraum 8a bzw. nach Aufhebung des Transportraums 8a bewegt die elektrische Maschine über den Rotationskörper 7a auch den Rotationskörper 7a', z.B. mit etwa konstanter Drehgeschwindigkeit.
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Es versteht sich ferner, dass sich während der Aufhebung des Transportraums 8a in Verbindung mit dem Auslasskanal 9a gleichzeitig erneut die Bildung und Aufweitung eines Transportraums 8a in Verbindung mit dem Einlasskanal 9a' vollzieht, wie dies in 6 dargestellt ist.
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Indem sich jeweils in der Endphase einer beschleunigten Bewegung des Rotationskörpers 7a der Strömungsquerschnitt durch den Auslass verringert, kommt es zur Abbremsung des Rotationskörpers 7a und gewünschter Angleichung seiner Drehgeschwindigkeit an die Drehgeschwindigkeit des Rotationskörpers 7a'.
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8 zeigt ein weiteres Verwendungsbeispiel für die hier beschriebenen Pumpvorrichtungen.
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Drei um 180 ° zueinander versetzte, in einem Gehäuse 30 untergebrachte Kolben-Zylinder-Anordnungen 31 bewegen jeweils über eine Kurbel 32 eine zu dem Gehäuse 30 koaxiale Kurbelwelle 33.
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Jeder der drei Kolben-Zylinder-Anordnungen 31 sind eine Ein-/Auslassöffnung 34 für ein Fluid sowie ein Abschnitt des gemeinsamen Kurbelgehäuses mit einer Fluidein-/ auslassöffnung 35 zugeordnet.
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Jeweils zwischen den Öffnungen 34,35 kann eine Pumpvorrichtung, wie sie oben beschrieben ist, zwischengeschaltet und die Pumpenförderung abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen so gesteuert werden, dass die drei Kolben-Zylinder-Anordnungen 31 die Kurbelwelle 33 in einer gewünschten Drehrichtung drehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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