DE202014006620U1

DE202014006620U1 - Aktuatoreinheit

Info

Publication number: DE202014006620U1
Application number: DE202014006620.5U
Authority: DE
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2014-08-19
Filing date: 2014-08-19
Publication date: 2015-11-20
Anticipated expiration: 2024-08-20
Also published as: DE102015213338A1; DE102015213338B4

Abstract

Aktuatoreinheit mit einer in einem Gehäuse (12) angeordneten elektrischen Pumpeneinheit (14) zur Förderung eines Druckmediums, einer im Gehäuse (12) ausgebildeten ersten Arbeitskammer (20) und einer im Gehäuse (12) ausgebildeten zweiten Arbeitskammer (22) und jeweils einem sowohl in der ersten Arbeitskammer (20) als auch in der zweiten Arbeitskammer (22) angeordneten beweglichen Kolbenelement (24, 28), wobei jedes Kolbenelement (24, 28) die jeweilige Arbeitskammer (20, 22) trennt in eine erste Kammer (32, 36) und eine zweite Kammer (34, 38), wobei mit mindestens einem Kolbenelement (24, 28) mindestens ein Aktuator (26, 30) verbunden ist und wobei die Pumpeneinheit (14) die erste Arbeitskammer (20) mit der zweiten Arbeitskammer (22) fluidisch verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aktuatoreinheit zur Erzeugung einer Bewegung und/oder einer Kraft bzw. Drehmoment.
Bei bekannten Aktuatoreinheiten 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, 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 des gesamtes Systems.
Als Weiterentwicklung ist daher beispielsweise aus US 2,918,795 bekannt, die Pumpe in den Zylinder des Aktuators zu integrieren. Hierbei müssen zunächst einmal die Zuführleitungen für die Pumpeneinheit aufwendig aus der Aktuatoreinheit herausgeführt werden. Darüber hinaus handelt es sich hierbei um einen einfachen Zylinder, sodass nur ein geringer Hub erzielt werden kann im Verhältnis zur Gesamtlänge des Gehäuses. Soll ein größerer Hub erzielt werden, ist ein solcher Einfachzylinder entsprechend groß zu dimensionieren. Dies führt zu einem wenig kompakten und durch die Zuführleitungen aufwendig zu konstruierenden Aktuator.
Aktuatoren werden ebenfalls verwendet für eine Kraftübertragung, bei dem eine Kraft/Bewegung an einem ersten Ort durch das Druckmedium übertragen wird auf eine Kraft/Bewegung an einem zweiten Ort. In üblichen hydraulischen/pneumatischen Systemen sind hierfür zwei getrennte Aktuatoren nötig, welche über Leitungen für das Druckmedium miteinander verbunden sind.
Eine kompaktere Kraftübertragung erfolgt beispielsweise durch einen Doppelzylinder wie in US 2010/0107864 A1 beschrieben. Hierbei ist die Pumpeneinheit ebenfalls in den Zylinder integriert, mit den oben bereits beschriebenen Nachteilen. Die Aktuatoreinheit weist jedoch zwei Aktuatoren auf, sodass eine Kraft an dem ersten Aktuator unmittelbar auf den zweiten Aktuator übertragen wird. Dies ist dadurch gewährleistet, dass beide Aktuatoren als ein Bauteil ausgebildet sind.
Soll die Kraftübertragung jedoch variabel erfolgen, ist üblicherweise ein Kraftverlust beispielsweise durch das Vorsehen von Drosseln in Kauf zu nehmen oder ein erheblicher Stellaufwand durch entsprechenden Ventile nötig. Ein Kraftverlust führt zu einer Verringerung der Effizienz, was eine Vergrößerung der Leistung der Pumpeneinheit und somit auch der Abmessungen der Pumeneinheiten nach sich zieht. Auch das Vorsehen von Stellventilen erfordert Platz, sodass keine kompakte Aktuatoreinheit geschaffen werden kann für eine variable Kraftübertragung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine kompakte Aktuatoreinheit zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Aktuatoreinheit nach Anspruch 1.
Die erfindungsgemäße Aktuatoreinheit weist ein Gehäuse auf in dem eine 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 die Aktuatoreinheit 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 Aktuator verbunden. Durch die Verbindung wird die Bewegung des Kolbenelements innerhalb der Arbeitskammer auf den Aktuator übertragen.
Erfindungsgemäß verbindet die Pumpeneinheit fluidisch die erste Arbeitskammer mit der zweiten Arbeitskammer. So wird durch die Pumpeneinheit die Förderung des Druckmediums von einer Arbeitskammer in die andere Arbeitskammer gewährleistet. Somit ist eine kompakte Aktuatoreinheit geschaffen, bei welcher durch die Pumpeneinheit eine Bewegung des Kolbenelements erzeugt wird, die auf den mindestens einen Aktuator übertragen wird.
Insbesondere handelt es sich bei dem Druckmedium um ein Gas oder eine Flüssigkeit. Somit handelt es sich hierbei um eine hydraulische oder pneumatische Aktuatoreinheit.
Vorzugsweise ist das Gehäuse der Aktuatoreinheit vollständig geschlossen. Insbesondere sind durch das vollständig geschlossene Gehäuse die elektrische Pumpeneinheit, die erste und die zweite Arbeitskammer sowie die zwei beweglichen Kolbenelemente vollständig gekapselt. Hierbei erfolgt eine Stromübertragung an die elektrische Pumpeneinheit beispielsweise durch Induktion. Gleichzeitig ist bei einem vollständig geschlossenen Gehäuse der Aktuator berührungslos mit dem Kolbelement verbunden. Diese Verbindung kann beispielsweise magnetisch erfolgen, sodass die Bewegung des Kolbelements durch die magnetische Verbindung auf den Aktuator übertragen wird. Alternativ oder zusätzlich zur magnetischen Verbindung können metallische Federbälge vorgesehen sein, zur Kraftübertragung bei einem vollständig geschlossenen Gehäuse. Alternativ ist das Gehäuse geschlossen, weist jedoch ausschließlich elektrische Zuleitungen auf, um die elektrische Pumpeneinheit mit Strom zu versorgen. Alternativ oder zusätzlich zu den Öffnungen für die eklektischen Zuleitungen weist das Gehäuse Öffnungen für die vorhandenen Aktuatoren auf, durch die die Aktuatoren hindurchragen, wodurch die Bewegung der Kolbenelemente nach außen geleitet wird. Hierbei ist der mindestens eine Aktuator insbesondere unmittelbar mit dem Kolbenelement verbunden und besonders bevorzugt mit diesem einstückig ausgebildet. Insbesondere weist die Aktuatoreinheit bei einem vollständig geschlossenen, also gekapselten Gehäuse und auch bei einem Gehäuse, welches ausschließlich elektrische Zuleitungen und/oder Öffnungen für die Aktuatoren aufweist keine Zuleitungen oder Ableitungen für das Druckmedium auf. Insbesondere wird kein Druckmedium aus dem Gehäuse herausgeführt oder in das Gehäuse hinein geleitet.
Vorzugsweise entspricht das Volumen des Druckmediums im Wesentlichen dem Volumen der ersten Arbeitskammer zusammen mit dem Volumen der zweiten Arbeitskammer. Dieses Volumen kann geringfügig erhöht werden durch ein Volumen, welches durch die Pumpeneinheit entsteht. Dabei ist das Volumen des Druckmediums bei dem jeweils vorherrschenden Druck zu bestimmen, sodass auch bei einem komprimierbaren Druckmedium das Volumen des Druckmediums im Wesentlichen dem Volumen der ersten und zweiten Arbeitskammer entspricht. Insbesondere ist das Volumen des Druckmediums in der Aktuatoreinheit konstant. Wie oben beschrieben, wird kein Druckmedium aus der Aktuatoreinheit hinausgeführt oder in diese hineingeleitet.
Vorzugsweise ist keine Ausgleichskammer vorgesehen, weder innerhalb der Aktuatoreinheit noch ist die Aktuatoreinheit mit einer solchen Ausgleichskammer verbunden. Vorzugsweise herrscht im Gehäuse ein erhöhter Druck, der über dem Umgebungsdruck liegt. Hierdurch erfolgt eine Vorspannung des Druckmediums, sodass Effekte durch die Kompressibilität des Druckmediums reduziert werden. Auch wird durch diesen Vordruck der Aktuatoreinheit verhindert, dass sich Effekte der Kavitation negativ auf die Leistung der Aktuatoreinheit auswirken.
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 Aktuator und die Pumpeneinheit auf. Dies reduziert den Konstruktionsaufwand, erlaubt eine weitere Miniaturisierung der Aktuatoreinheit und macht die Aktuatoreinheit besonders wartungsarm.
Vorzugsweise weist die Aktuatoreinheit mindestens zwei Aktuatoren auf, wobei insbesondere mit jedem Kolbenelement jeweils ein Aktuator 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. Hierbei ist eine insbesondere verstellbare Leistungserhöhung zwischen den Aktuatoren auf kleinerem Bauraum möglich.
Vorzugsweise ist die zweite Kammer der ersten Arbeitskammer und die zweite Kammer der zweiten Arbeitskammer fluidisch miteinander verbunden. Alternativ hierzu ist die zweite Kammer der ersten Arbeitskammer und die erste Kammer der zweiten Arbeitskammer bzw. die erste Kammer der ersten Arbeitskammer und die zweite Kammer der zweiten Arbeitskammer fluidisch verbunden. Durch diese Fluidverbindungen wird ermöglicht, dass sich die mindestens zwei Aktuatoren gleichsinnig bewegen, sodass, beispielsweise bei einem Rotationsaktuator, die mindestens zwei Aktuatoren sich jeweils im Uhrzeigersinndrehen. In der zweiten Variante der Fluidverbindung bewegen sich die zwei Aktuatoren gegensinnig, sodass, beispielsweise bei einem Rotationsaktuator, ein Aktuator sich im Uhrzeigersinn dreht, wohingegen sich der andere Aktuator entgegen dem Uhrzeigersinn dreht.
Vorzugsweise ist es hierbei möglich, dass die Relativbewegung von mindestens zwei Aktuatoren zueinander geändert werden kann, insbesondre durch Änderung der Fluidverbindung. Bewegen sich die mindestens zwei Aktuatoren gleichsinnig, so ändert sich diese Relativbewegung durch Änderung der Fluidverbindung, wodurch sich die mindestens zwei Aktuatoren nachfolgend gegensinnig bewegen. Eine Änderung der Relativbewegung von gegensinnig nach gleichsinnig durch Änderung der Fluidverbindung ist ebenfalls möglich.
Vorzugsweise kann die Pumpeneinheit das Druckmedium in zwei Förderrichtungen fördern. Somit ist eine kontrollierte Bewegung der Kolbenelemente und somit auch der damit verbundenen Aktuatoren möglich.
Vorzugsweise weist die Pumpeneinheit einen Generatorbetrieb auf, sodass bei rückströmenden Druckmedium auf Grund einer extern anliegende Kraft oder einem extern anliegenden Drehmoment, durch das Druckmedium, welches durch die Pumpeneinheit strömt, elektrische Energie von der Pumpeneinheit erzeugt werden.
Vorzugsweise weist die Pumpeneinheit einen Ventil-/Drosselbetrieb auf, sodass bei einer extern anliegenden 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. Dämpferfunkton 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 durch 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 mittelbare und steuerbare Kraftübertragung von dem einen Aktuator auf den anderen Aktuator erzielbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform 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.
Jedes der beiden 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.
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.
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.
Da vorzugsweise 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.
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.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist jedes der beiden vorgesehen Rotorelemente 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.
Vorzugsweise ist es somit möglich, die Strömungsrichtung des durch die Pumpeneinheit 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 Pumpeneinheit 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.
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.
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.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Pumpeneinheit ebenfalls zwei gesondert antreibbare Rotorelemente auf, die in bevorzugter Ausführungsform wiederum über zwei gesonderte Antriebsmotoren, insbesondere Elektromotoren angetrieben sind. Bei dieser Pumpeneinheit, 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.
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.
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.
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.
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 Pumpeneinheiten 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.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Pumpeneinheit um eine Pumpeneinheit beschrieben in DE 10 2013 223 890.1 oder DE 10 2012 221 358.9 .
Insbesondere bei Antrieben für Stellbewegungen, beispielsweise zur Bewegung eines Roboters, muss der gesamte Drehzahlbereich bei diesen Stellbewegungen in üblichen Aktuatorsystemen durchfahren werden. Durch den ständigen Kraftschluss über ein Getriebe kann ein Stillstand bzw. eine benötigte Leistung nur erreicht werden, indem die Drehzahlkurve auf und ab gefahren wird. Einzelne Bereiche weist dabei allerdings sehr niedrige Wirkungsgradwerte auf, da der Strom in diesem Bereich sehr hoch ist. Der Nachteil von Motor-Getriebe-Kombination bei bekannten Stillmotoren ist, dass das Drehmoment fix auf eine Drehzahl bezogen ist. Das limitiert eine optimale Verwendung der Stillmotoren, da beispielsweise die maximale Ausgangsleistung nur bei einer bestimmten Drehzahl erreicht werden kann. Es ist daher nicht möglich eine minimale Bewegung aus dem Stand mit der maximal möglichen Ausgangsleistung zu betreiben. Ähnliches gilt für die Dynamik der Bewegung bzw. bei den Bewegungsabläufen. Dieser Nachteil wird aufgehoben durch die erfindungsgemäße Aktuatoreinheit mit einer der vorgenannten beschriebenen Pumpeneinheit, da die Motoren der elektro-hydraulischen Pumpeneinheit einmalig pro Betrieb in den Drehzahlbereich beschleunigt werden. Durch die vorgenannten Pumpeneinheiten wird ein variabel übersetzbarer und entkoppelbarer Antrieb geschaffen. Durch die Pumpeneinheit ist das Übersetzungsverhältnis der elektrischen Energie über die hydraulische Energie hin zur Rotationsenergie veränderbar. Mit der Pumpeneinheit, welche die Fördermenge und den Druck einstellen kann und zusätzlich als Sperrventil wirken kann, ist es möglich, den Betriebsbereich für die Stellbewegung in einen Bereich zu verschieben, indem der Wirkungsgrad viel günstiger ist. Über die Sperrventilfunktion kann erst Kraft übertragen werden, wenn beispielsweise ein genügend großer Leistungsbereich zur Verfügung steht oder der Wirkungsgrad höher ist. Durch die Möglichkeit der Kraftentkopplung ist es nicht zwingend notwendig, dass bei Stillstand oder geringen Drehzahlen des Robotergelenkes der Motor ebenfalls stillsteht, somit kann bei sehr kleinen Bewegungen eine viel höhere Leistung und ein viel günstigerer Wirkungsgrad erreicht werden.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem mindestens einen Aktuator um einen Linearaktuator. Dabei ist besonders bevorzugt, dass die minimale Länge der Aktuatoreinheit in Wesentlichen der Gehäuselänge entspricht und die maximale Länge der Aktuatoreinheit großer oder gleich der Summe aus der Gehäuselänge und dem Hub des mindestens einen Linearaktuators. Hierbei wird ein großer Hub der Aktuatoreinheit erreicht bei einer geringen Einbaugröße.
Vorzugsweise sind die mindestens zwei Linearaktuatoren relativ zum gemeinsamen Gehäuse in entgegengesetzte Richtungen bewegbar. Durch Vorsehen von zwei Linearaktoren, die in entgegengesetzte Richtungen bewegbar sind, erhöht sich der Hub bei gleichbleibender Einbaugröße. Dies ist möglich dadurch, dass die Aktuatoren unabhängig voneinander ausgebildet sind.
Vorzugsweise sind die mindestens zwei Linearaktuatoren entlang unterschiedlicher Achsen bewegbar. Dadurch wird ein großes Maß an Freiheit für die Einsatzmöglichkeiten der Aktuatoreinheit erreicht, da die Bewegung der mindestens zwei Linearaktuatoren unter einem Winkel, der 180° einschließen kann, erfolgen kann. Auch dies ist möglich dadurch, dass die mindestens zwei Aktuatoren unabhängig voneinander ausgebildet sind.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem mindestens einen Aktuator um einen Rotationsaktuator. Durch den Rotationsaktuator wird eine Drehbewegung erzeugt. Dabei ist besonders bevorzugt, dass bei Vorsehen von mindestens zwei Rotationsaktuatoren diese relativ zum gemeinsamen Gehäuse in entgegengesetzte Richtungen drehbar sind. Alternativ hierzu sind bei Vorsehen von mindestens zwei Rotationsaktuatoren diese relativ zum gemeinsamen Gehäuse in die gleiche Richtung drehbar. Besonders bevorzugt ist die Bewegung der mindestens zwei Rotationsaktuatoren relativ zum gemeinsamen Gehäuse änderbar durch die Veränderung der Fluidverbindung.
Vorzugsweise weisen die mindestens zwei Rotationsaktuatoren keine gemeinsame Drehachse auf. Insbesondere können die Drehachsen der mindestens zwei Rotationsaktuatoren zueinander einen Winkel aufweisen der besonders bevorzugt 180° mit einschließt.
Insbesondere weist die Aktautoreinheit mindestens einen Linearaktuator auf und gleichzeitig mindestens einen Rotationsaktuator, wobei vorzugsweise Linearaktuator und Rotationsaktuator wie vorstehend beschrieben weitergebildet sind.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1a und 1b eine erfindungsgemäße Aktuatoreinheit ausgebildet als Linearaktuator mit gleichsinnig bzw. gegensinnig bewegbaren Aktuatoren,
2a und 2b eine erfindungsgemäße Aktuatoreinheit mit zueinander gewinkelten Linearaktuatoren,
3 eine erfindungsgemäße Aktuatoreinheit als Kraftübertragungselement,
4 eine erfindungsgemäße Aktuatoreinheit mit zwei Rotationsaktuatoren,
5 eine erfindungsgemäße Aktuatoreinheit mit zueinander gewinkelten Rotationsaktuatoren,
6 eine erste Ausführungsform der Pumpeneinheit,
7a, 7b und 7c eine alternative Ausführungsform der Pumpeneinheit und
8 eine weitere alternative Ausführungsform der Pumpeneinheit.
Die erfindungsgemäße Aktuatoreinheit ausgebildet als Linearaktuator 10 weist ein Gehäuse 12 auf. In dem Gehäuse 12 ist eine elektrische Pumpeneinheit 14 angeordnet, welche ein Druckmedium, bei dem es sich insbesondere um eine Hydraulikflüssigkeit handelt, in zwei Förderrichtungen fördern kann, angedeutet durch die Pfeile 16 und 18. Dabei wird durch die Pumpeneinheit 14 das Druckmedium bei einer Förderrichtung entsprechend dem Pfeil 16 von einer ersten Arbeitskammer 20 in einer zweite Arbeitskammer 22 gefördert. In der ersten Arbeitskammer 20 ist ein Kolbenelement 24 angeordnet, welches innerhalb der ersten Arbeitskammer 20 verschiebbar angeordnet ist. Mit dem ersten Kolbenelement 24 ist ein erster Aktuator 26 verbunden, wobei der Aktuator 26 durch eine Öffnung aus dem Gehäuse 12 hinausragt und so die Bewegung des ersten Kolbenelements 24 nach außen führt.
In der zweiten Arbeitskammer 22 ist ein zweites Kolbenelement 28 angeordnet, welches wiederum mit einem Aktuator 30 verbunden ist.
Durch das erste Kolbenelement 24 wird die erste Arbeitskammer 20 in eine erste Kammer 32 und in eine zweite Kammer 34 unterteilt. Dabei stehen die erste Kammer 32 und die zweite Kammer 34 der ersten Arbeitskammer 20 nicht unmittelbar in Fluidverbindung. Insbesondere dichtet das erste Kolbenelement 24 die erste Kammer 32 von der zweiten Kammer 34 ab. Ebenso teilt das zweite Kolbenelement 28 die zweite Arbeitskammer 22 in eine erste Kammer 36 und eine zweite Kammer 38. Auch hier besteht keine unmittelbare Fluidverbindung zwischen der ersten Kammer 36 und der zweiten Kammer 38 der zweiten Arbeitskammer 22.
Über einen Verbindungskanal 40 ist die zweite Kammer 34 der ersten Arbeitskammer 20 fluidisch verbunden mit der zweiten Kammer 38 der zweiten Arbeitskammer 22. Bei einer Förderrichtung entsprechend dem Pfeil 16 wird das Druckmedium von der ersten Kammer 32 der ersten Arbeitskammer 20 in die erste Kammer 36 der zweiten Arbeitskammer 22 gefördert. Hierdurch bewegen sich die Kolbenelemente entsprechend der Pfeile 42 und 44. Durch eine Bewegung der Kolbenelements 28 reduziert sich das Volumen der zweiten Kammer 38 der zweiten Arbeitskammer 22. Über den Ausgleichskanal 40 strömt überschüssiges Druckmedium in die sich vergrößerte zweite Kammer 34 der ersten Arbeitskammer 20. Hierbei handelt es sich um ein Vierkammersystem.
Wird die Förderrichtung umgekehrt und das Druckmedium entsprechend dem Pfeil 18 gefördert, kehrt sich ebenfalls die Bewegungsrichtung der Aktuatoren 26, 30 um und entspricht den Pfeilen 46 und 48. Somit bewegen sich die Aktuatoren der in der 1a gezeigten Aktuatoreinheit gleichsinnig.
In der 1b ist eine Aktuatoreinheit gezeigt, bei der sich die Aktuatoren gegensinnig bewegen. Gleiche Teile werden dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Bei einer Förderrichtung entsprechend dem Pfeil 18 bewegt sich der Aktuator 24 entsprechend dem Pfeil 53. Dabei wird Druckmedium von der Pumpeneinheit über einen Kanal 50 in die zweite Kammer 34 der ersten Arbeitskammer 20 gefördert. Überschüssiges Druckmedium der sich verkleinernden ersten Kammer 32 der ersten Arbeitskammer 20 wird über einen weiteren Kanal 52 in die zweite Kammer 38 der zweiten Arbeitskammer 22 gefördert. Aus der ersten Kammer 36 der zweiten Arbeitskammer 22 fördert wiederum die Pumpeneinheit 14 das Pumpmedium. Somit bewegt sich auch der Aktuator 30, jedoch entsprechend dem Pfeil 54 entgegen dem Aktuator 24.
Bei einer Umkehrung der Förderrichtung entsprechend dem Pfeil 16 kehren sich die jeweiligen Bewegungsrichtungen der Aktuatoren 26, 30 entsprechend den Pfeilen 56, 58 gerade um.
In den 1 erfolgt dabei die Bewegung der Aktuatoren 26, 30 entlang einer gemeinsamen Achse 59. Jedoch können sich die Aktuatoren auch entlang einer jeweiligen Achse bewegen die nicht identisch ist, insbesondere einen Versatz zueinander aufweisen und/oder zueinander einen Winkel. In 2a ist eine erfindungsgemäße Aktuatoreinheit gezeigt, bei der die jeweiligen Achsen 60, 62, entlang derer sich die Aktuatoren 26, 30 bewegen, einen Winkel von 180° zueinander einschließen. Auch beim Vorsehen eines Winkels zwischen den Bewegungsrichtungen der vorgesehenen Aktuatoren 26, 30 können sich diese sowohl wahlweise gleichsinnig oder gegensinnig bewegen.
Insbesondere sind die Aktuatoreinheiten der 2 bis 5 schematisch dargestellt. Vorzugsweise sind diese Aktuatoreinheiten ausgebildet wie in 1 gezeigt.
In 2b bewegen sich die Linearaktuatoren 26, 30 ebenfalls entlang unterschiedlicher Achsen 64, 66, wobei diese Achsen 64, 66 einen Winkel α > 0° und α < 180° miteinander einschließen. Hierdurch wird eine erhebliche Variabilität für die Einsatzmöglichkeit der erfindungsgemäßen Aktuatoreinheit erzielt.
Insbesondere weist die Pumpeneinheit 14 einen Ventil-/Drosselbetrieb auf. So kann zum Beispiel beim Einwirken einer Kraft auf den Aktuator 26, dargestellt durch den Pfeil 28, diese Kraft durch die Pumpeneinheit 14 im Drosselbetrieb reduziert werden, sodass am zweiten Aktuator 30 ebenfalls eine Kraft entsteht, dargestellt durch den Pfeil 70. Diese Kraft ist jedoch kleiner als die wirkende Kraft, dargestellt durch den Pfeil 68. Insbesondere ist das Verhältnis der einwirkenden Kraft und der erzeugten Kraft durch die Pumpeneinheit 14 variabel einstellbar. Alternativ hierzu kann auch eine Verstärkung der auf den Aktuator 26 einwirkenden Kraft entsprechend dem Pfeil 68 erfolgen. Hierdurch wird entsprechend durch den Aktuator 30 eine Kraft erzeugt, die größer ist als einwirkende Kraft. Das gleiche Prinzip funktioniert auf bei sich gegensinnig bewegenden Aktuatoren und ebenfalls bei der Verwendung von Rotationsaktuatoren, wobei in diesem Fall ein wirkendes Drehmoment übertragen, verstärkt oder abgeschwächt wird.
Im Ventilbetrieb der Pumpeneinheit 14 erfolgt eine Krafttrennung der beiden Aktuatoren 26, 30, sodass eine einwirkende Kraft 68 zu keiner resultierenden Kraft der zweiten Aktuators 30 führt.
Alternativ hierzu weist die Aktuatoreinheit zwei Rotationsaktuatoren 72, 74 auf, schematisch gezeigt in 4 und 5. Die Rotation der Rotationsaktuatoren 72, 74 wird erzeugt durch eine elektrische Pumpeneinheit 14. Dabei können die Rotationsaktuatoren 72, 74 entsprechend den Pfeilen 76, 78 gleichsinnig rotieren. Alternativ hierzu ist auch eine gegensinnige Rotation der beiden Rotationsaktuatoren 72, 74 möglich. Die Rotationsaktuatoren sind dabei vorzugsweise ebenfalls als Vierkammersystem aufgebaut, können jedoch auch mehr Kammern aufweisen.
Auch eignet sich eine Aktuatoreinheit mit zwei Rotationsaktuatoren als Kraftübertragungseinheit wie oben für die Linearaktuatoren beschrieben. Hierbei kann insbesondere ein variables Übersetzungsverhältnis erreicht werden durch den variablen Drosselbetrieb der Pumpeneinheit 14. So ist es beispielsweise möglich in Windrädern die erfindungsgemäße Aktuatoreinheit vorzusehen, welche zwei Rotationsaktuatoren als Kraftüberträger aufweist, wobei durch den variablen Drosselbetrieb sichergestellt werden kann, dass die Drehbewegung des Windrades optimal übersetzt wird, um stets im günstigsten Wirkungsgrad des Generators zu liegen. Insbesondere weisen die beiden Rotationsaktuatoren 72, 74 keine gemeinsame Welle auf.
Die Rotationsaktuatoren 72, 74 weisen darüber hinaus in besonderen Konfigurationen keine gemeinsame Drehachse auf. Insbesondere können die jeweiligen Drehachsen der Rotationsaktuatoren 72, 74 einen Winkel zueinander aufweisen einschließlich 180°, sodass bei 180° der zweite Rotationsaktuator 74 den ersten Rotationsaktuator 72 radial umgibt, wie in 5 dargestellt. Auch können die Rotationen der Rotationsaktuatoren 72, 74 gegensinnig wie dargestellt durch die Pfeile 80 und 82 oder gleichsinnig erfolgen.
Die Pumpeneinheit 14 dargestellt in einer ersten Ausführungsform in 6 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 keine 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.
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 48 angedeutet.
Die Förderrichtung der Pumpeneinheit 14 kann umgekehrt werden. Dabei ist die Drehrichtung des ersten und des zweiten Rotorelements identisch wie in 6 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.
Somit kann bei gleichbleibender Drehrichtung 89 der Rotorelemente 84, 86 die Förderrichtung 98 umgekehrt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform (7a bis 7c), bei der es sich um eine schematische Darstellung einer Pumpeneinheit 14 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 7a 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 7a von links nach rechts.
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 7b dargestellte Zwischenstellung, in die in 7c 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 7c, von rechts nach links, wobei keine Änderung der Drehrichtung erfolgt.
Da sich bei der in den 7a bis 7c 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 7a dargestellten Stellung wäre es somit ausreichend, wenn das Rotorelement 120 angetrieben wird. In der in 7c dargestellten Stellung wäre es ausreichend, wenn das Rotorelement 100 angetrieben wird.
Bei der weiteren bevorzugten Ausführungsform der Pumpeneinheit 14 (8), 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2918795 [0003]
US 2010/0107864 A1 [0005]
DE 102013223890 [0037]
DE 102012221358 [0037]

Claims

Aktuatoreinheit mit einer in einem Gehäuse (12) angeordneten elektrischen Pumpeneinheit (14) zur Förderung eines Druckmediums, einer im Gehäuse (12) ausgebildeten ersten Arbeitskammer (20) und einer im Gehäuse (12) ausgebildeten zweiten Arbeitskammer (22) und jeweils einem sowohl in der ersten Arbeitskammer (20) als auch in der zweiten Arbeitskammer (22) angeordneten beweglichen Kolbenelement (24, 28), wobei jedes Kolbenelement (24, 28) die jeweilige Arbeitskammer (20, 22) trennt in eine erste Kammer (32, 36) und eine zweite Kammer (34, 38), wobei mit mindestens einem Kolbenelement (24, 28) mindestens ein Aktuator (26, 30) verbunden ist und wobei die Pumpeneinheit (14) die erste Arbeitskammer (20) mit der zweiten Arbeitskammer (22) fluidisch verbindet.
Aktuatoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) vollständig geschlossen ist oder insbesondere ausschließlich elektrische Zuleitungen und/oder Öffnungen für die Aktuatoren (26, 30) aufweist.
Aktuatoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Druckmediums im Wesentlichen dem Volumen der ersten Arbeitskammer (20) und der zweiten Arbeitskammer (22) entspricht.
Aktuatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (12) ein erhöhter Druck herrscht, der über dem Umgebungsdruck liegt.
Aktuatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinheit ventillos ausgebildet ist und insbesondere ausschließlich die Kolbenelemente (24, 28) mit dem mindestens einen Aktuator (26; 30) und die Pumpeneinheit (14) als bewegliche Teile aufweist.
Aktuatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch mindestens zwei Aktuatoren (26, 30).
Aktuatoreinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren (26, 30) unabhängig voneinander ausgebildet sind.
Aktuatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Fluidverbindung (40) zwischen der zweiten Kammer (34) der ersten Arbeitskammer (20) und der zweiten Kammer (38) der zweiten Arbeitskammer (22) oder eine Fluidverbindung (52) zwischen der zweite Kammer (34) der ersten Arbeitskammer (20) und der ersten Kammer (36) der zweiten Arbeitskammer (22) bzw. der erste Kammer (32) der ersten Arbeitskammer (20) und der zweiten Kammer (38) der zweiten Arbeitskammer (22).
Aktuatoreinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung von mindestens zwei Aktuatoren (26, 30) zueinander geändert werden kann, insbesondere durch ändern der Fluidverbindung.
Aktuatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeneinheit (14) in zwei Förderrichtungen das Druckmedium fördern kann.
Aktuatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeneinheit (14) einen Generatorbetrieb aufweist, so dass bei rückströmendem Druckmedium durch eine externe anliegende Kraft oder ein extern anliegendes Drehmoment elektrische Energie von der Pumpeneinheit (14) erzeugt wird.
Aktuatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeneinheit (14) einen Ventil-/Drosselbetrieb aufweist, so dass bei einer extern anliegenden Kraft oder einem extern anliegenden Drehmoment der Rückfluss des Druckmediums durch die Pumpeneinheit (14) insbesondere entgegen der Förderrichtung im Ventil-/Drosselbetrieb reduziert wird oder verhindert wird.
Aktuatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeneinheit (14) mindestens zwei insbesondere unabhängig angetriebene Förderelemente (84, 86, 110, 112) aufweist und die Förderrichtung (98) insbesondere abhängt vom Phasenversatz der mindestens zwei Förderelemente (84, 86, 110, 112).
Aktuatoreinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeneinheit (14) eine Vielzahl insbesondere identisch ausgebildeter Förderelemente (92) aufweist, welche zueinander im Betrieb einen Phasenversatz aufweisen, so dass die Vielzahl an Förderelementen (92) einen schraubenförmigen Pumpkörper (94) ausbilden.
Aktuatoreinheit nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch Änderung des Phasenversatzes der Volumenstrom änderbar ist.
Aktuatoreinheit nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Ventil-/Drosselbetrieb die Reduzierung des Rückflusses insbesondere kontinuierlich anpassbar ist durch eine Änderung des Phasenversatzes.
Aktuatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem mindestens einen Aktuator (26, 30) um einen Linearaktuator handelt.
Aktuatoreinheit nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Länge der Aktuatoreinheit (10) im Wesentlichen der Gehäuselänge entspricht und die maximale Länge der Aktuatoreinheit (10) größer oder gleich der Summe aus der Gehäuselänge und dem Hub des mindestens einen Linearaktuators.
Aktuatoreinheit nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Linearaktuatoren (26, 30) relativ zum gemeinsamen Gehäuse in entgegengesetzte Richtungen bewegbar sind.
Aktuatoreinheit nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Linearaktuatoren (26, 30) entlang unterschiedlicher Achse (60, 62, 66, 64) bewegbar sind.
Aktuatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem mindestens einen Aktuator um einen Rotationsaktuator (72, 74) handelt.
Aktuatoreinheit nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Rotationsaktuatoren (72, 74) relativ zum gemeinsamen Gehäuse 812) in entgegengesetzte Richtungen (76, 78) drehbar sind.
Aktuatoreinheit nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Rotationsaktuatoren (72, 74) keine gemeinsame Drehachse aufweisen.
Aktuatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Aktuator ausgebildet ist als Linearaktuator (26, 30) und mindestens ein Aktuator ausgebildet ist als Rotationsaktuator (72, 74).