DE19701671A1 - Antriebsvorrichtung für eine Hydropumpe und Verfahren zur Versorgung mindestens eines einen veränderlichen Leistungsbedarf aufweisenden Verbrauchers mit hydraulischer Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung für eine Hydropumpe, die zur Versorgung mindestens eines einen veränderlichen Leistungsbedarf aufweisenden Verbrauchers, insbesondere eines Arbeitszylinders an einer Kunststoffspritzgießmaschine, mit hydraulischer Energie vorgesehen ist, mit einem Elektromotor zum Antreiben des Rotors der Hydropumpe und einem mit diesem gekoppelten Schwungrad. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfah­ ren zur Versorgung eines Verbrauchers vermittels einer Antriebsvorrichtung vorstehend genannter Art.

Eine Antriebsvorrichtung der eingangs genannten Art ist bereits bekannt, siehe EP 0 271 744 B1. Diese bekannte Kombination aus Elektromotor, Hydropumpe und Schwungmasse weist einen mit dieser starr gekoppelten, ungeregelten Wechselstrommotor als Antrieb der Hydropumpe auf, wobei der Wechselstrom­ motor so ausgelegt ist, daß er beim Anfahren des Systems die Schwungmasse erst nach Ablauf einer längeren Anlaufphase auf die gewünschte, verhältnis­ mäßig hohe Nenndrehzahl bringt. Ein solches System ist allenfalls dann zufrie­ denstellend, wenn es hinsichtlich Auslegung der Leistung des Pumpenmotors, der gewählten Nenndrehzahl und der hierbei in der Schwungmasse gespeicher­ ten kinetischen Energie an im wesentlichen jeweils gleichartige durchzuführen­ de Arbeitszyklen angepaßt ist. Bei dem erwähnten, bekannten System ist diese Voraussetzung nur deshalb erfüllt, weil die als Verbraucher vorgesehene Kol­ ben-Zylinder-Einheit zur Auslenkung einer Ruderfläche an einem Luftfahrzeug gegen die angreifende Luftkraft vorgesehen ist. Wenn die Hydropumpe hierbei als Pumpe/Motor ausgebildet ist, wird, wenn für einen Verstellvorgang der Ruderfläche kinetische Energie aus der Schwungmasse entnommen worden ist, bei dem darauffolgenden, durch die angreifende Luftkraft bewirkten Rückstellen der Ruderfläche in die Ausgangsstellung wieder ein gewisser Energiebetrag in die Schwungmasse zurückgespeichert. Dies bedeutet, daß jeder Arbeitszyklus hinsichtlich des Energiebedarfes im wesentlichen gleichartig ist, welcher jeweils den Verlusten entspricht, die beim Arbeitsspiel "Auslenken gegen angreifende Luftkraft" und "Rückstellen durch angreifende Luftkraft" auftreten, wobei die Größe dieser Verluste bei jedem Arbeitsspiel annähernd gleich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aus Elektromotor, Hydropumpe und Schwungmasse gebildete Antriebsvorrichtung zu schaffen, die nicht nur in Anpassung auf einen speziellen Anwendungsfall den zu stellenden Anforderun­ gen hinsichtlich gewünschter Betriebseigenschaften und guter Effizienz gerecht wird, sondern sich in vorteilhafter Weise für die Durchführung unterschiedli­ cher Arbeitszyklen mit sich in unterschiedlicher Weise veränderndem Leistungs­ bedarf eignet.

Diese Aufgabe löst erfindungsgemäß eine Antriebsvorrichtung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine die Leistungsabgabe des Elektromotors in Abhängigkeit vom Unterschreiten und vom Überschreiten je einer vorbestimmten Drehzahl des Schwungrades erhöhende bzw. verrin­ gernde Steuereinrichtung vorgesehen ist.

Die Erfindung ermöglicht es, den Elektromotor so auszulegen, daß er in etwa den mittleren Leistungsbedarf des energieverzehrendsten Arbeitszyklus abdeckt, dem die Maschine, die mit der Antriebsvorrichtung verbunden ist, genügen muß. Die rotierende Masse, also das Schwungrad und der Pumpenrotor, wird so ausgelegt, daß die in ihr bei Nenndrehzahl gespeicherte kinetische Energie den Spitzenleistungsbedarf abdeckt, der bei einem solchen energieverzehrend­ sten Arbeitszyklus gegeben ist.

Ist nun ein Arbeitszyklus durchzuführen, der der Antriebsvorrichtung nur eine Teilleistung abverlangt, also beispielsweise ein Spritzvorgang, bei dem die betreffende Kunststoffspritzgießmaschine nicht mit höchstem Zylinderdruck und/oder größtem Einspritzvolumen zu arbeiten braucht, dann wird der Elektro­ motor bei Überschreiten einer vorgegebenen Drehzahl abgeschaltet. Erst wenn im weiteren Verlauf des Arbeitszyklus oder weiterer Arbeitszyklen die im Schwungrad und in mit ihm rotierenden Massen gespeicherte kinetische Ener­ gie so weit verbraucht ist, daß ein gegebener niedrigerer Drehzahlwert unter­ schritten wird, wird der Elektromotor wieder eingeschaltet.

Bei Ausführungsbeispielen, bei denen ein mittels Frequenzumrichter steuerbarer Motor vorgesehen ist, läßt sich die Solldrehzahl des Elektromotors durch den Frequenzumrichter stufenlos so einstellen, daß der Elektromotor in den Ein­ schaltphasen jeweils das der durch die Bauart bestimmten Maximalleistung des Motors entsprechende Drehmoment abgibt, indem die Frequenz des Frequen­ zumrichters der Istdrehzahl des Elektromotors entsprechend nachgeführt wird. Wenn bei einem Arbeitszyklus die der Pumpe abgeforderte hydraulische Lei­ stung die Maximalleistung des Elektromotors übersteigt, sinkt die Drehzahl des Elektromotors und der Schwungmasse ab, während diese kinetische Energie an die Hydropumpe abgibt, bevor nach Beendigung des Arbeitszyklus und vor Einleiten eines anschließenden Arbeitszyklus ein erneutes Hochfahren der Drehzahl der Schwungmasse erfolgt.

Zwischen Elektromotor und Hydropumpe kann eine starre Kupplung vorgese­ hen sein. Eine besonders günstige Energiebilanz ist erreichbar, wenn der Elek­ tromotor mit dem Rotor der Hydropumpe über eine eine Unterbrechung der Drehmomentübertragung ermöglichende Kupplung verbunden ist. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann als Kupplung eine Schaltkupplung, die durch die Arbeitszyklussteuerung der der Antriebsvorrichtung zugeordneten Maschine gesteuert ist, oder vorzugsweise eine Freilaufkupplung vorgesehen sein.

Das Ein- und Ausschalten des Elektromotors kann je nach Art des Arbeitszyklus mehrmals pro Zyklus erfolgen oder während mehrerer Zyklen lediglich einmal erfolgen. Wenn ein mittels Frequenzumrichter steuerbarer Elektromotor vor­ gesehen ist, der bedarfsweise ein- und ausschaltbar und mit der Schwungmasse aus Schwungrad und Pumpenrotor wahlweise kuppelbar ist, ist gewährleistet, daß bei sämtlichen vorkommenden, unterschiedlichen Leistungsanforderungen der Elektromotor jeweils mit seiner Maximalleistung arbeiten kann, wobei die Energieeinspeisung, je nach Anforderung, während der Arbeitszyklen mehr oder weniger langzeitig erfolgt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich daher gleichermaßen vorteilhaft für wechselnde Anforderungsprofile.

Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Versorgung mindestens eines einen veränderlichen Leistungsbedarf aufweisenden Ver­ brauchers mit hydraulischer Energie vermittels einer erfindungsgemäßen An­ triebsvorrichtung aufzuzeigen. Dieses Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor in Abhängigkeit vom Unterschreiten und vom Überschreiten je einer vorbestimmten Drehzahl des Schwungrades einge­ schaltet bzw. abgeschaltet wird.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Die einzige Figur zeigt eine stark schematisierte Blockdarstellung eines Aus­ führungsbeispiels der Antriebsvorrichtung.

Ein in der Figur mit 1 bezeichneter Elektromotor ist über einen Frequenzum­ richter 3 ansteuerbar, der einen Teil einer als Ganzes mit 5 bezeichneten Steuerelektronik bildet. Der Elektromotor 1 treibt über eine Freilaufkupplung 7 eine Rotorwelle 9 einer Verstell-Hydropumpe 11 an. Deren Rotorwelle 9 ist mit einem Schwungrad 13 starr gekuppelt.

Anstelle der beim Ausführungsbeispiel vorgesehenen Freilaufkupplung 7 könnte auch eine starre Kupplung oder eine andere, eine Unterbrechung der Drehmo­ mentübertragung ermöglichende Kupplung vorgesehen sein, beispielsweise eine Schaltkupplung, die über die Steuerelektronik 5 so steuerbar ist, daß sie, wie die Freilaufkupplung 7, eingerückt wird, wenn die Drehzahl des Elektromotors 1 die Drehzahl der Rotorwelle 9 übersteigt.

Die Hydropumpe 11 ist an ihrer Förderseite mit einem Verbraucher hydrau­ lischer Energie verbunden, der nicht dargestellt ist und bei dem es sich beim betrachteten Beispiel um den Einspritzzylinder einem Kunststoffspritzgießmaschi­ ne handelt. Die Förderseite der Hydropumpe 11 ist außerdem mit einem Druckgeber 15 verbunden, dessen Daten in der Zyklussteuerung der Spritzgieß­ maschine verarbeitet werden, deren Einspritzzylinder den Verbraucher bildet. Diese ebenfalls nicht dargestellte Zyklussteuerung liefert Steuerdaten, die für den jeweils vorgesehenen Arbeitszyklus der Spritzgießmaschine kennzeichnend sind, an die Steuerelektronik 5. Letztere erhält außerdem von einem auf der Rotorwelle 9 sitzenden Tachometer 17 ein den Drehzahlistwert kennzeichnen­ des Tachosignal. Alternativ könnte dieses auch aus der Druckpulsation auf der Förderseite der Hydropumpe 11 mittels des vorhandenen Druckaufnehmers 15 ermittelt werden.

Bei Durchführung eines typischen Arbeitszyklus beim Betrieb einer Kunst­ stoffspritzgießmaschine werden der Maschinen-Zyklussteuerung die dem ge­ wünschten Arbeitszyklus entsprechenden Daten eingegeben. Während in der Kunststoffspritzgießmaschine zunächst durch die Drehung von deren Extruder­ schnecke Kunststoffgranulat plastifiziert und zur Bereitstellung für den Einspritz­ vorgang gefördert wird, ist der Elektromotor 1 zunächst ausgeschaltet. Das Schwungrad 13 und die Rotorwelle 9 der auf geringes Fördervolumen oder Fördervolumen Null eingestellten Hydropumpe 11 drehen, wenn ein Arbeits­ zyklus bereits vorausgegangen ist, mit einer verbliebenen, geringen Restdreh­ zahl, beispielsweise 1.500 Umin^-1. In kurzem zeitlichen Abstand vor Beginn des Einspritzvorganges (Beginn der Bewegung des Einspritzzylinders) wird der Elektromotor 1 eingeschaltet und bringt sich selbst, das Schwungrad 13 und die Hydropumpe 11 auf eine höhere vorgegebene Drehzahl, zum Beispiel 2.500 Umin^-1. Dabei ist der Elektromotor 1 mittels des Frequenzumrichters 3 so angesteuert, daß die Frequenz der Istdrehzahl des Elektromotors 1 so vorauseilt, daß dieser ein Drehmoment abgibt, das einer vorgegebenen Maximalleistung entspricht, bei der der Elektromotor 1 in seinem wirtschaftlichsten Bereich arbeitet.

Die nicht dargestellte Stelleinrichtung der Hydropumpe 11 schwenkt diese, gesteuert durch die Maschinen-Zyklussteuerung, nun aus, und der Einspritz­ vorgang beginnt. Zunächst ist der Zylinderdruck noch relativ gering, steigt aber an. Übersteigt schließlich die benötigte hydraulische Leistung die eingestellte Maximalleistung des Elektromotors 1, sinkt die Drehzahl von Elektromotor 1, Schwungrad 13 und Hydropumpe 11 ab, wobei die für den Fortgang des Einspritzvorgangs erforderliche zusätzliche Leistung aus der kinetischen Energie der Masse des drehenden Schwungrades 13 und der Rotorwelle 9 entnommen wird. Der sinkenden Drehzahl wird die Frequenz des Frequenzumrichters 3 so nachgeführt, daß der Elektromotor 1 weiterhin seine wirtschaftliche, eingestellte Maximalleistung abgibt. Am Ende des Einspritzvorganges ist schließlich eine abgesenkte Drehzahl von beispielsweise wieder etwa 1.500 Umin^-1 erreicht. Die Drehzahl kann weiter bis auf eine vor Beginn des nächstfolgenden Arbeits­ zyklus verbleibende Restdrehzahl abfallen.

Bei einem Arbeitszyklus, bei dem der Leistungsbedarf für den Einspritzvorgang die vom Elektromotor 1 abzudeckende Leistung nicht übersteigt, wird der Elektromotor 1 in Abhängigkeit vom Erreichen einer Solldrehzahl, also bei­ spielsweise 2.500 Umin^-1 abgeschaltet und bei Unterschreiten einer gegebenen Drehzahl, beispielsweise 1.500 Umin^-1 eingeschaltet. Bei Verwendung eines Frequenzumrichters erfolgt dieses Einschalten durch gesteuerte Frequenzerhö­ hung. In einfacherer Ausführung kann auch ein 2-poliger Motor (n = 3000 Umin^-1) verwendet werden, der bei konstanter Frequenz (z. B. 50 Hz) einfach zu- und abgeschaltet wird. Diese Schaltvorgänge können je nach Art des betref­ fenden Arbeitszyklus mehrmals pro Zyklus oder nur einmal während mehrerer Zyklen erfolgen. Für kleine Zykluszeiten, d. h. Arbeitszyklen, bei denen der Elektromotor 1 häufig und direkt, d. h. ohne Verwendung eines Frequenz­ umrichters, geschaltet wird, ist es im Hinblick auf die thermische Belastung des Elektromotors 1 günstig, wenn die Abschaltung und Zuschaltung über eine Sanftanlaufeinrichtung bekannter Art erfolgt. Durch Wahl der maximalen Motordrehzahl so, daß sie der höchsten zulässigen Pumpendrehzahl der Hydropumpe 11 angepaßt ist, läßt sich die Hydropumpe 11 optimal ausnützen.

Der hydraulische Teil der Antriebsvorrichtung kann so ausgelegt werden, daß in den Phasen, in denen während eines Kunststoff-Plastifizierungsvorganges die Extruderschnecke den Kolben des Einspritzzylinders zurückdrückt, die Hydro­ pumpe 11 aufgrund des im Einspritzzylinder bewirken Staudruckes als Hydro­ motor arbeitet und während dieser Phase das Schwungrad 13 antreibt, so daß die Drehzahl von Schwungrad 13 und Rotorwelle 9 weniger abfällt, gleich gehalten oder sogar erhöht wird.

Claims (12)

1. Antriebsvorrichtung für eine Hydropumpe (11), die zur Versorgung minde­ stens einen veränderlichen Leistungsbedarf aufweisenden Verbrauchers, insbesondere eines Arbeitszylinders an einer Kunststoffspritzgießmaschine, mit hydraulischer Energie vorgesehen ist, mit einem Elektromotor (1) zum Antreiben des Rotors (9) der Hydropumpe (11) und einem mit diesem gekoppelten Schwungrad (13), dadurch gekennzeichnet, daß eine die Leistungsabgabe des Elektromotors (1) in Abhängigkeit vom Unterschrei­ ten und vom Überschreiten je einer vorbestimmten Drehzahl des Schwun­ grades (13) erhöhende bzw. verringernde Steuereinrichtung (5) vorgese­ hen ist.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (1) zur Veränderung seiner Leistungsabgabe mittels der Steuereinrichtung (5) ein- und abschaltbar ist.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektromotor (1) ein bürstenloser, mittels Frequenzumrichter (3) steuerbarer Motor vorgesehen ist.

4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (1) über eine Sanftanlaufeinrichtung einschaltbar ist.

5. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Steuereinrichtung eine eingebbare Daten gewünschter Arbeitszyklen einer Kunststoffspritzgießmaschine verarbeitende Steuerelek­ tronik (5) vorgesehen ist.

6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen mit der Steuerelektronik (5) verbundenen Tachogenerator (17) zur Ermittlung der Rotordrehzahl der Hydropumpe (11).

7. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Elektromotor (1) mit dem Rotor (9) der Hydropumpe (11) über eine eine Unterbrechung der Drehmomentübertragung ermögli­ chende Kupplung (7) verbunden ist.

8. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kupplung eine Freilaufkupplung (7) vorgesehen ist.

9. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kupplung eine Schaltkupplung vorgesehen ist.

10. Verfahren zur Versorgung mindestens eines einen veränderlichen Lei­ stungsbedarf aufweisenden Verbrauchers mit hydraulischer Energie ver­ mittels einer Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor in Abhängigkeit vom Unterschreiten und vom Überschreiten je einer vorbestimmten Drehzahl des Schwungrades eingeschaltet bzw. abgeschaltet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10 zur Betätigung eines Arbeitszylinders einer Kunststoffspritzgießmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektro­ motor zwischen aufeinanderfolgenden Einspritzzyklen der Spritzgieß­ maschine bei Unterschreiten einer vorbestimmten Drehzahl des Schwung­ rades eingeschaltet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittels Frequenzumrichter angesteuerter Elektromotor verwendet wird und daß im Einschaltzustand die Frequenz des Frequenzumrichters der Ist-Dreh­ zahl der Schwungrades so nachgeführt wird, daß der Elektromotor eine vorgegebene Maximalleistung abgibt.