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Die Erfindung betrifft eine Pumpe, insbesondere eine Orbitalpumpe, zum Pumpen eines Fluides. Die Pumpe weist hierzu einen Rotorsensor zur Erfassung eines absoluten Drehwinkels einer Rotorwelle der Pumpe sowie eine vorbestimmten Drehwinkelposition auf.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Ausführungsformen von Pumpen mit einer Drehwinkelerfassung bekannt. Beispielsweise wird eine Drehwinkelposition eines Rotors bei einer bekannten Lösung über drei digitale Hall-Sensoren erfasst, welche jedoch keine absolute Rotorlagenerkennung ermöglichen und eine Erfassung des Drehwinkels des Rotors auch lediglich mit einer Auflösung von 20° erlauben. Durch die Hall-Sensoren wird die Position des Rotors indirekt über die Position des Magnetfelds ermittelt, welches den Rotor anregt.
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Bei einer derartigen Erfassung des Drehwinkels werden viele im Stand der Technik verbreitete Pumpen im „Open-Loop“-Betrieb angesteuert, bei dem einem sich drehenden Magnetfeld des die Pumpe antreibendes Motors ein bestimmtes Muster aufgeprägt wird. Der Rotor folgt dann diesem erzeugten Magnetfeld mehr oder weniger genau. Aufgrund einer erhöhten Last am Rotor kann es dazu kommen, dass dieser dem Magnetfeld hinterher eilt und die Drehzahlen und Drehwinkel des Magnetfeldes und des Rotors nicht mehr übereinstimmen. Eine Berechnung des geförderten Volumenstroms und eine Positionierung des Rotors werden dadurch nicht mehr möglich, da der tatsächliche bzw. absolute Drehwinkel des Rotors unbekannt ist.
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Neben den Nachteilen des „Open-Loop“-Betriebs kommt es ferner zu weiteren Einschränkungen und Nachteilen an den Pumpen. Beispielsweise kommt es bei den im Stand der Technik in Pumpen verbreiteten Rotoren zu einem undefinierten Überschwingen des Rotors um eine angefahrene Position. Dadurch wird beispielsweise eine Membran oder ein anderes elastisches Element, das mit dem Rotor in Verbindung steht, stärker belastet als ohne das Überschwingen, womit ein erhöhter Verschleiß an dem elastischen Element auftritt. Durch das Überschwingen erhöht sich zudem eine Dosier- oder Fördervarianz, da durch die Bewegung des Rotors um die angefahrene Position beim Überschwingen weiter undefiniert ein Fluid durch die Pumpe gefördert wird.
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Hinzukommt, dass es nicht möglich ist, die absolute Position des Rotors zu ermitteln oder den Rotor auf eine bestimmte Position zu positionieren, insbesondere, da die Auflösung bei vielen bei Pumpen verbreiteten Rotorsensoren zu gering ist und allenfalls eine Position innerhalb eines durch die Auflösung vorbestimmten Bereichs angefahren werden kann.
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Ein speziell bei vorbekannten Orbitalpumpen auftretendes Problem ist, dass ein verwendeter Exzenter beim Abschalten der Orbitalpumpe auf einer nicht vorherbestimmbaren Position, also mit einem nicht vorbestimmten Drehwinkel gestoppt wird. Durch die unbestimmte Lage des Exzenters ist nicht ausgeschlossen, dass die Pumpe eine interne Leckage aufweist, durch welche es zu einer Leckage-Strömung kommen kann, durch die undefiniert Fluid durch die Pumpe strömt. Dadurch ist es über eine Drehzahl des Rotors nicht möglich zu ermitteln, wie viel Fluid von der Pumpe gefördert wurde bzw. wie viel Fluid ein an die Pumpe angeschlossener Verbraucher, zu dem das Fluid gepumpt wird, verbraucht. Es müssten hierfür immer teure Volumenstromsensoren vorgesehen werden.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu überwinden und eine Pumpe bereitzustellen, mit welcher eine Leckage durch die Pumpe verhindert wird und eine exakte Positionierung des Rotors in der Pumpe möglich ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Schutzanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine Pumpe, insbesondere eine Orbitalpumpe, zum Pumpen eines Fluides vorgeschlagen. Die Pumpe weist wenigstens eine Pumpensteuerung und einen durch die Pumpensteuerung steuerbaren Motor auf. Ferner umfasst die Pumpe eine Rotorwelle zur Fluidförderung und einen Rotorsensor zur Erfassung eines absoluten Drehwinkels der Rotorwelle. Die Rotorwelle kann unmittelbar mit dem zu fördernden Fluid in Kontakt stehen oder ein weiteres Bauteil der Pumpe antreiben, welches unmittelbar auf das Fluid wirkt, ohne selbst mit dem Fluid in Kontakt zu sein. Der Rotorsensor ist mit der wenigstens einen Pumpensteuerung verbunden und ist ferner ausgebildet, den Drehwinkel der Rotorwelle an die Pumpensteuerung zu übermitteln. Die Pumpensteuerung ist ausgebildet, den Motor unter Berücksichtigung des erfassten Drehwinkels anzusteuern, welcher die Rotorwelle antreibt bzw. rotiert, bis die Rotorwelle in einer vorbestimmten Drehwinkelposition steht.
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Durch die Berücksichtigung des Drehwinkels zur Ansteuerung der Rotorwelle und dem gezielten und gesteuerten Positionieren der Rotorwelle in eine vorbestimmte Drehwinkelposition ist es möglich, die Dosiervarianz der Pumpe zu senken, so dass bei einem sich widerholenden Pumpvorgang eine immer gleiche Menge Fluid gefördert werden kann. Insbesondere wird durch die Steuerung unter Berücksichtigung des Drehwinkels das überschwingen der Rotorwelle verhindert und dadurch die Lebensdauer der Pumpe erhöht.
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Hinzukommt, dass durch die exakte Positionierung der Rotorwelle ein in der Pumpe angeordneter Hohlraum (Förderkammer) nur teilweise entleert werden kann, indem die Rotorwelle beispielsweise um einen vorbestimmten Winkel gedreht wird. Da somit keine vollständigen Umdrehungen zur Förderung des Fluides notwendig sind, können auch kleine Fluidmengen gefördert werden.
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Sind die Drehwinkel bzw. die genauer Drehwinkelposition der Rotorwelle bekannt kann eine erfindungsgemäße Pumpe zudem für bestimmte Fördermengen kalibriert werden. Eine solche Kalibrierung kann beispielsweise bei der Herstellung, jedoch auch bei einer in einer Anlage eingebauten Pumpe durchgeführt werden. Sollen vorbestimmte Fluidmengen mit der Pumpe gefördert werden oder bestimmt werden, welche Menge pro Umdrehung oder bei der Drehwinkeländerung der Rotorwelle gefördert wird, kann das von der Pumpe geförderte Volumen gemessen und mit den dabei auftretenden Drehwinkelpositionen verknüpft werden, so dass für jede Pumpe individuell festgelegt wird, welches Volumen bei welcher Drehwinkeländerung gefördert wird. Soll später eine bestimmte Fluidmenge (Volumen) gefördert werden, kann anhand der ermittelten Werte bestimmt werden, welche neue Drehwinkelposition mit der Rotorwelle ausgehend von einer aktuellen Drehwinkelposition angefahren werden soll. Die Kalibrierung kann beispielsweise auch bei vorgegebenen Wartungsintervallen wiederholt werden, um einen möglichen mechanischen Verschleiß berücksichtigen und durch die Steuerung kompensieren zu können.
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Zum Anlauf einer Pumpe mit stillstehender Rotorwelle sind abhängig von der Drehwinkelposition zudem unterschiedliche Anlaufströme nötig. Um einen Anlauf der Pumpe mit möglichst geringen Strömen zu ermöglichen, kann durch eine erfindungsgemäße Pumpe und eine zugehörige Steuerung zudem vorgesehen sein, die Rotorwelle bei einem Abschalten der Pumpe oder bei einem Anhalten der Rotorwelle in einer vorbestimmten Anlaufposition oder in einer von mehreren vorbestimmten Anlaufpositionen zu positionieren. Bei einem darauf folgenden Anlaufprozess ist somit ein geringerer Anlaufstrom notwendig, so dass die Pumpe einem geringen Verschleiß unterliegt und eine geringe Stromaufnahme aufweist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Pumpe ein Pumpengehäuse, einen elastisch verformbaren Pumpenring und einen Exzenter aufweist. Der Exzenter bestimmt ein außermittiges Loch, durch welches sich die Rotorwelle erstreckt, wobei der Exzenter mit der Rotorwelle verbunden ist, so dass die Rotorwelle den Exzenter antreibt. Alternativ bildet die Rotorwelle den Exzenter unmittelbar aus, so dass die Rotorwelle der Exzenter ist. Das Pumpengehäuse weist eine zylinderförmige Ausnehmung bzw. Hohlraum auf, von welchem sich aus ein Fluideingang und ein Fluidausgang aus dem bzw. in das Pumpengehäuse erstrecken. In dem Hohlraum bzw. in dem Pumpengehäuse ist der Pumpenring angeordnet und zumindest abschnittsweise in seine Radialrichtung von dem Pumpengehäuse beabstandet. Der Pumpenring weist eine sich in Axialrichtung des Pumpenrings erstreckende und vorzugsweise in seine Radialrichtung zentriert in dem Pumpenring angeordnete Zentralöffnung auf, in welcher der Exzenter angeordnet ist. Durch den gegenüber der Zentralöffnung außermittigen Exzenter wird der Pumpenring durch den Exzenter elastisch verformt. Der Exzenter weist hierzu einen Abschnitt auf, welcher gegenüber seiner Rotationsachse, um welche er rotiert wird, weiter hervorsteht als die umliegenden Bereiche des Exzenters. Der Exzenter verformt daher insbesondere einen rotierbaren Abschnitt des Pumpenrings, der durch eine Rotation des Exzenters in Umfangsrichtung des Pumpenrings in Radialrichtung verformbar und an das Pumpengehäuse drückbar ist. Der Pumpenring wird selbst nicht rotiert. Es werden lediglich unterschiedliche Bereiche des Pumpenrings verformt und an das Pumpengehäuse gedrückt, wodurch der Abschnitt des Pumpenrings, der verformt ist, um die Rotationsachse bzw. in Umfangsrichtung des Pumpenrings wandert bzw. rotiert. Ein Drehwinkel des rotierbaren Abschnitts des Pumpenrings entspricht dem Drehwinkel der Rotorwelle, womit durch die als Drehwinkel angegebene Position der Rotorwelle der Position des rotierbaren Abschnitts entspricht.
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Der Rotorsensor ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung an der Rotorwelle, an dem Exzenter oder an dem Pumpenring angeordnet und erfasst den absoluten Drehwinkel als den jeweiligen Drehwinkel der Rotorwelle, des Exzenters oder des Pumpenrings. Da der Pumpenring selbst nicht rotiert, wird hierbei die Position des rotierenden Abschnitts des Pumpenrings erfasst.
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Bei einer ebenfalls vorteilhaften Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Motor ein Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor ist. Der Rotor ist unmittelbar mit der Rotorwelle verbunden oder geht unmittelbar in diese über. Ferner entspricht der Drehwinkel der Rotorwelle einem Drehwinkel des Rotors, wodurch der Drehwinkel der Rotorwelle durch den Drehwinkel des Rotors ermittelbar ist.
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Alternativ sieht eine Weiterbildung vor, dass der Motor ein Elektromotor mit einem Rotor ist, der Rotor jedoch nicht unmittelbar, sondern mittelbar, beispielsweise über ein Getriebe, mit der Rotorwelle verbunden ist. Der Drehwinkel der Rotorwelle ist aus einem Drehwinkel des Rotors bestimmbar, wobei der Drehwinkel abhängig von der Verbindung des Rotors mit der Rotorwelle, beispielsweise dem Übersetzungsverhältnis des Getriebes, bestimmbar ist.
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Der Rotorsensor ist bei einer möglichen Ausgestaltungsvariante der Erfindung an dem Rotor des Motors angeordnet. Der Rotorsensor ermittelt den Drehwinkel des Rotors und folglich den Drehwinkel der Rotorwelle.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Rotorsensor ein Encoder oder ein Resolver ist, der den Drehwinkel der Rotorwelle erfasst. Der Encoder oder der Resolver können den Drehwinkel als ein digitales Signal oder als ein analoges Signal ausgeben. Möglich ist hierbei insbesondere die Ausgabe als Sinus- und Cosinus-Signal.
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Vorzugsweise ist der Rotorsensor ein Absolutwertgeber, wodurch keine Referenzierung der Rotorwelle notwendig ist.
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Da die Rotorwelle jedoch vorzugweise an einer vorbestimmten Position gestoppt werden soll und bei einem Anfahren aus dieser Position der Drehwinkel der Rotorwelle bekannt ist, sieht eine alternative Ausführungsform vor, dass der Rotorsensor ein Inkrementalgeber ist und die Pumpe zur Referenzierung des Rotorsensors einen Referenzsensor aufweist, der die Position der Rotorwelle in der vorbestimmten Drehwinkelposition erfasst.
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Der Pumpenring weist in Umfangsrichtung gesehen einen ersten und einen zweiten Verformungsabschnitt auf. In dem ersten Verformungsabschnitt ist der Pumpenring elastischer verformbar ausgebildet als in seinem zweiten Verformungsabschnitt. In dem ersten Verformungsabschnitt ist der Pumpenring dadurch in seine Radialrichtung einfach von dem Exzenter verformbar, so dass der Exzenter zum Verformen des Pumpenrings in dem ersten Verformungsabschnitt eine geringere Kraft benötigt bzw. an dem Exzenter zur Rotation um die Rotationsachse ein geringeres Drehmoment anliegen kann. Die vorbestimmte Drehwinkelposition ist in dem ersten Verformungsabschnitt festgelegt. Beim Beginn der Rotation des Exzenters aus einem Stillstand des Exzenters ist im ersten Verformungsabschnitt daher ein geringeres Drehmoment an dem Exzenter notwendig als bei einem Beginn der Rotation in dem zweiten Verformungsabschnitt.
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Zwischen einem Fluideingang in die Pumpe und einem Fluidausgang aus der Pumpe ist ein Leckage-Strömungskanal in der Pumpe bestimmt. Eine vorteilhafte Weiterbildungsvariante der Erfindung sieht vor, dass der Leckage-Strömungskanal mit der Rotorwelle in der vorbestimmten Drehwinkelposition verschlossen ist. Eine Leckage-Strömung zwischen dem Fluideingang und dem Fluidausgang ist somit verhindert. Hierzu wird beispielsweise der rotierende Abschnitt des Pumpenrings von dem Exzenter auf den Fluideingang oder den Fluidausgang gedrückt, so dass dieser von einer Stirnseite des Pumpenrings fluiddicht abgedichtet ist.
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Offenbart wird ferner ein Verfahren zur Ansteuerung einer erfindungsgemäßen Pumpe. Ein durch die Pumpe von einem Fluideingang zu einem Fluidausgang der Pumpe geförderter Fluid-Volumenstrom wird aus mehreren in einem vorbestimmten Zeitintervall durch den Rotorsensor erfassten Drehwinkeln der Rotorwelle berechnet. Anschließend wird der die Rotorwelle antreibende Motor abhängig von einem zu fördernden Fluid-Volumenstrom nach einer vorbestimmten Motorcharakteristik angesteuert. Der tatsächlich geförderte Fluid-Volumenstrom wird durch die Ansteuerung des Motors entsprechend der Motorcharakteristik dem zu fördernden Fluid-Volumenstrom angeglichen.
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Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht hierbei insbesondere vor, dass der Motor angesteuert wird, die Rotorwelle auf der vorbestimmten Drehwinkelposition zu stoppen und zu positionieren, wenn der zu fördernde Volumenstrom null ist. Soll die Rotorwelle durch den Motor an der vorbestimmten Drehwinkelposition gestoppt werden, entspricht die Motorcharakteristik beispielsweise einem langsamen Abbremsen des Motors, wodurch die Rotorwelle ohne an der vorbestimmten Position überzuschwingen an dieser zum Stehen kommt.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend anhand der Figur näher dargestellt. Es zeigt:
- 1 eine Orbitalpumpe mit geschnittenem Pumpengehäuse in einer Draufsicht auf den Pumpenring.
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Die in 1 schematisch dargestellte Pumpe ist mit einem Rotorsensor und einer Pumpensteuerung versehen, auch wenn diese in der Figur nicht zu erkennen sind.
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Das Pumpengehäuse 10 ist in einem orthogonal zu einer Längsachse verlaufenden Schnitt gezeigt, so dass der in dem Pumpengehäuse 10 liegende Hohlraum 14 mit den darin angeordneten Komponenten sichtbar ist. Als Teil des Pumpengehäuses 10 erstreck sich ein Fluideingang 11 mit einem Kanal in den Hohlraum 14 und ein Fluidausgang 12 mit einem Kanal aus dem Hohlraum 14. In dem Hohlraum 14 ist ein elastisch verformbarer Pumpenring 20 angeordnet. Durch das Zentrum des zylinderförmigen bzw. in der Schnittansicht rund ausgebildeten Hohlraums 14 verläuft die geschnitten dargestellte Rotorwelle 40 entlang einer nicht dargestellten Rotationsachse, welche sich entlang ihrer Achsrichtung orthogonal zu der Darstellungsebene erstreckt. An der Rotorwelle 40 ist ein Exzenter 30 angeordnet, welcher über einen Lagerring 32 zwischen dem Pumpenring 20 und dem Exzenter 30 auf den elastisch verformbaren Pumpenring 20 wirkt bzw. drückt. Der Lagerring 32 ist ein beispielsweise aus Nadelelementen gebildetes und als Radiallager ausgeführtes Nadellager, durch welches der Exzenter 30 in ihm ohne unmittelbar an dem verformbaren Pumpenring 20 anzuliegen, den Pumpenring 20 verformend in dem Pumpenring 20 rotieren kann. Mit der Rotorwelle 40 in seinem dargestellten Drehwinkel drückt der Exzenter 30 den Pumpenring 20 in die Exzenterrichtung 31, wodurch der elastisch verformbare Pumpenring 20 in seine in der Darstellungsebene liegende Radialrichtung verformt wird, so dass der Pumpenring 20 mit seinem Abschnitt 21 in Radialrichtung an dem Pumpengehäuse 10 anliegt. Durch eine Rotation des Exzenters in Umfangsrichtung U wandert der verformte Abschnitt 21 des Pumpenrings 20 in Umfangsrichtung U um die Rotationsachse, so dass der Abschnitt 21 in Umfangsrichtung rotiert, wobei der Pumpenring 20 sich dabei nicht dreht. Der Pumpenring 20 ist abschnittsweise von dem Pumpengehäuse 10 beabstandet und liegt nur im rotierenden Abschnitt 21 und in einem Dichtabschnitt 22 in Radialrichtung an dem Pumpengehäuse 10 an. Durch das Rotieren des rotierenden Abschnitts 21 des Pumpenrings 20 und der Beabstandung des Pumpenrings 20 von dem Pumpengehäuse 10 in Radialrichtung werden durch das Pumpengehäuse 10 und den Pumpenring 20 in dem Hohlraum 14 zwei sich in ihrer Größe durch die Rotation des rotierenden Abschnitts 21 verändernde Kammern bestimmt. In eine erste mit dem Fluideingang 11 verbundenen Kammer wird ein Fluid durch den Fluideingang 11 in den Hohlraum 14 bzw. in die sich vergrößernde erste Kammer gesaugt und aus der zweiten mit dem Fluidausgang 12 verbundenen Kammer wird ein Fluid aus dem Hohlraum 14 bzw. aus der sich verkleinernden zweiten Kammer ausgestoßen.
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In Umfangsrichtung U zueinander benachbart bzw. über einen Winkelbereich in Umfangsrichtung U weist der Pumpenring 20 zwei Verformungsabschnitte 24, 25 auf. In dem ersten Verformungsabschnitt 24 wird auf den Pumpenring 20 in Radialrichtung durch den sich parallel zu der Rotationsachse erstreckenden Pin 13 bereits eine Verformungskraft aufgebracht. Hinzukommt, dass zwischen dem Pin 13 und dem Exzenter 30 ein an dem Pin 13 liegender Hohlraum in dem Pumpenring 20 gebildet ist, durch welchen sich der Pumpenring 20 in Radialrichtung einfacher deformieren lässt. Der Pumpenring 20 kann in dem ersten Verformungsabschnitt 24 auch weitere Maßnahmen zur gegenüber dem angrenzenden zweiten Verformungsabschnitt 25 leichteren Verformbarkeit aufweisen. Durch die leichtere Verformbarkeit in dem ersten Verformungsabschnitt 24 muss auf die Rotorwelle 40 bei einer Rotation über den Drehwinkelbereich, über welchen sich der erste Verformungsabschnitt 24 erstreckt, ein geringeres Drehmoment aufgebracht werden. Die vorbestimmte Drehwinkelposition liegt bei der beispielhaft gezeigten Pumpe daher symmetrisch zu dem Pin 13, auf der die Rotorwelle 40 und den Pin 13 halbierenden Geraden. Diese vorbestimmte Drehwinkelposition kann beispielsweise als 0° definiert sein, wobei der dargestellte Exzenter in einer um 90° entlang des Rotationspfades 33 verdrehten Drehwinkelposition dargestellt ist. Der Drehwinkel der Rotorwelle 40 kann bei der dargestellten Pumpe beispielsweise an der Rotorwelle 40, an dem Exzenter 30, an dem Pumpenring 20 durch den rotierenden Abschnitt 21 des Pumpenrings 20 oder an einem Rotor eines nicht dargestellten und die Rotorwelle 40 antreibenden Motors erfasst werden. Der Exzenter 30 ist vorliegend einteilig mit der Rotorwelle 40 verbunden, wobei die Rotorwelle 40 auch den Exzenter 30 einstückig bilden kann.
