DE2252304A1

DE2252304A1 - Schwinganker-kolbenpumpe

Info

Publication number: DE2252304A1
Application number: DE2252304A
Authority: DE
Inventors: Franz Kiss Horvath; Istvan Majoros
Original assignee: Landis and Gyr AG
Current assignee: Landis and Gyr AG
Priority date: 1972-09-22
Filing date: 1972-10-20
Publication date: 1974-04-11
Also published as: CH549896A; JPS4970205A; FR2205116A7; GB1403299A; DE2252304B2; US3894817A; SE380326B; JPS5216883B2

Description

Γ LANDIS & GYR 1 LANDIS & GYP AG CH-6301 Zug, Schweiz

Schwinganker - Kolbenpumpe

Einleitung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwinganker-Kolbenpumpe mit zwei Ventilen und mindestens einem Dauermagneten, mindestens einer elektrischen Erregerspule, einem Pumpenkolben und mindestens einer. Arbeitsfeder.

Stand der Technik

Zur Verbesserung der Förderleistung und des Wirkungsgrades an mit Wechselspannung betriebenen magnetischen Schwingankerpumpen sind die folgenden zwei voneinander unabhängigen Massnahmen möglich:

Ueberlagerung des Dauermagnetflusses zum Wechselfluss und eine in beiden Hubrichtungen erfolgende Pumpwirkung des

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Pumpenkolbens. 2 252 3 Ü 4

Es sind Schwingankersysteme mit einem Dauermagneten vorgeschlagen worden, bei denen der Dauermagnet im Hagnetfluss der mit Wechselspannung betriebenen Magnetspulen liegt. Durch den Wechselfluss wird in der einen Phase der permanente Magnetfluss geschwächt und in der anderen Phase verstärkt. In einer solchen Anordnung wird der Dauermagnet durch den ihn beeinflussenden Wechselfluss geschwächt und es muss daher der Wechselfluss relativ schwach gewählt oder ein teurer Magnet verwendet werden.

Wird ferner wie bisher üblich der Schwingkolben einer Schwingankerpumpe direkt als magnetischer Anker verwendet, dann hat dessen Dimensionierung nach magnetischen und hydraulischen Gesichtspunkten zu erfolgen. Eine optimale Dimensionierung wird insbesondere dann schwierig, wenn eine in beiden Hubrichtungen fördernde Pumpe über einen grossen hydraulischen Bereich verwendet werden soll.

Aufgabenstellung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere für die Betätigung eines Stellgliedes einer Regelstrecke geeignete kleine, doch leicht herstellbare, mit möglichst gutem Wirkungsgrad arbeitende und in einem grossen hydraulischen Arbeitsbereich verwendbare und in beiden Hubrichtungen fördernde Pumpe zu schaffen.

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Kennzeichen der Erfindung 2 2 5 2 3 Ü 4

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein auf der Saug- und Druckseite verschiedene Aussendurchmesser aufweisender Hohlkolben konzentrisch in einem den Magnetfluss leitenden Anker, mit einem im Verhältnis zum hydraulisch wirksamen Querschnitt des Hohlkolbens grossen magnetischen Querschnitt so angeordnet ist, dass zwischen dem äusseren Umfang des Hohlkolbens und der inneren Partie des Ankers ein relativ grosser freier Querschnitt verbleibt, und dass der Hohlkolben mit dem Anker und zwei Federn einen Schwingkolben bildet, der in Lagerbüchsen und in einem Gehäuse und einem Deckel dichtend geführt ist, dass ferner der Anker des Schwingkolbens von aen Polen mindestens eines Dauermagneten so umschlossen ist, dass zwischen diesen Polen und dem Anker ein erster, möglichst kleiner Luftspalt verbleibt, dass weiter zwei feststehende, von mindestens einer Erregerspule umschlossene Pole des Gehäuses bzw. des Deckels stirnseitig mit dem Anker zwei weitere, gegenüber dem ersten Luftspalt grössere Luftspalte bilden, die zusammen mit. dem kleinen Luftspalt zwischen dem Anker und den Polen des Dauermagneten in zwei von diesem Magneten erzeugten und durch das Gehäuse und den Deckel geschlossenen Dauermagnetflüssen liegen.

Mit der gewählten Anordnung wird erreicht, dass der für den magnetischen Kreis benötigte Eisenquerschnitt weitgehend

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unabhängig von der hydraulischen Dimensionierung des Hohlkolbens ist und dass zwischen dem Anker und dem Hohlkolben ein grosser hydraulisch frei durchgehender Querschnitt für den Druckausgleich in dem den Hohlkolben umgebenden Raum zur Verfügung steht. Dadurch kann der aus magnetischen Gründen möglichst klein zu wählende Luftspalt zwischen dem Dauermagneten und dem Anker ohne Berücksichtigung eines noch nötigen Flüssigkextsdurchflusses durch diesen Luftspalt auf einer nur noch herstelltechnisch bedingten minimalen Grosse gehalten werden.

Beschreibung der Zeichnungsfiguren

Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der beigefügten Zeichnung nachstehend erläutert. Bs bedeuten:

Fig. 1 eine im Schnitt dargestellte Kolbenpumpe mit zwei Hagnetspulen,

Fig. 2 ein in vergrössertem Masstab und zum Teil im Schnitt dargestelltes Detail,

Fig. 3 ein Kraft - Vegdiagramm und

Fig. 4 ein Schnitt durch den Schwingkolben längs der Linie A-A der Fig. 1.

In der Fig. 1 bedeutet 1 ein Gehäuse mit einem Deckel 2, beide aus magnetisch leitendem Material mit kreisförmigem Querschnitt. Das Gehäuse 1 und der Deckel 2 besitzen im Zentrum je eine Bohrung 3 und 4. Die Bohrung 3 bildet die Druckseite 5 und die Bohrung 4 die Ansaugseite 6 der Pumpe.

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In die Bohrungen 3 und 4 sind je eine Lagerbüchse 7 und 8 eingepresst. Diese Lagerbüchsen dienen der Lagerung und Abdichtung eines Schwingkolbens 9, der aus einem rohrförmigen Hohlkolben 10 und einem über drei Stege 11 konzentrisch und fest mit dem Hohlkolben 10 verbundenen Anker 12 besteht. Zwischen dem Hohlkolben 10 und dem Anker 12 sind drei durchgehende freie Querschnitte 11a vorgesehen. Der Hohlkolben 10 weist an seinem in den Druckraum 5 reichenden Ende 13 einen kleineren Durchmesser auf als an seinem in den Ansaugraum 6 reichenden Ende 14. Durch zwei !Federn 15 und 16 wird der Schwingkolben 9 und damit auch der Anker 12 in der Ruhelage in einer Mittelstellung, wie in Fig. 1 dargestellt, gehalten. Ein Dauermagnet in Form eines radial magnetisierten Ringmagneten 17 umschliesst mit seirer Bohrung 18 den Anker 12 und bildet zwischen der äusseren Zylindermantelfläche des Ankers 12 und der Bohrung 18 einen ersten Luftspalt 19. Der Ringmagnet 17 ist mit seinem äusseren zylinderförmigen Umfang in einer Bohrung 20 des Gehäuses 1 befestigt. Beidseitig des Ringmagneten 17 sitzen in der glei-' chen Bohrung 20 zwei Erregerspulen 21 und 22. Das Gehäuse 1 und der Deckel 2 durchdringen die Spulen 21 und 22 auch in ihrem Innern als ringförmige, feststehende Pole 23 und 24. Diese Pole bilden mit ihren Stirnseiten 25 und 26 mit dem Anker 12 zwei weitere Luftspalte 27 bzw. 28. Diese Luftspalte 27 und 28 liegen zusammen mit dem Luftspalt 19 in zwei vom Ringmagneten 17 erzeugten und durch das Gehäuse 1 und den Deckel 2 über die Pole 23 und 24 geschlossenen Dauer-

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magnetflüssen 29 und 30. 22b23üV

Die Ringform der Pole 23 und 24 ergibt sich durch zwei Bohrungen 31 bzw. 32, in welche der Anker 12 des Schwingkolbens 9 in dessen äussersten Hublagen berührungslos eindringt.

Der dünnwandige Hohlkolben 10 weist auf der Seite seines grösseren Durchmessers in seiner inneren Längsbohrung ein Ventil 33 auf. Bin im Aufbau gleiches Ventil 34 befindet sich in der Bohrung 4 des Deckels 2» Beide Ventile bestehen aus einer eingepressten Büchse 35»35' einer Kugel 36»36* und einem eingepressten Stift 37,37', welcher das Spiel der Kugeln 36,36' begrenzt.

Ein vom Stromfluss durch die Erregerspulen 21 und 22 erzeugter magnetischer Fluss 38 ist in der Pig. I als unterbrochene Linie dargestellt.

In der Fig. 2 sind mögliche Ausführungsformen für die Stirnseiten des Ankers 12 und der Pole 23 und 24 dargestellt. Der Ringmagnet 17 ist im Schnitt gezeichnet, der Anker 12 und ein Pol 24 in der Ansicht. In der oberen Bildhälfte ist der Anker 12 an seiner Stirnfläche mit einer kegelförmigen Ansenkung 39 versehen. Auch ist am Pol 24 eine solche Ansen- kung 39a dargestellt. In der unteren Bildhälfte ist der Pol 24 an seiner Stirnseite 26 mit V-förmigen Einschnitten 40 versehen.

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Die Fig. 3 stellt die von den Magnetflüssen 29, 30 und-38 auf den Anker 12 in dessen-Längsachse wirkende Kraft P über dem Weg h dar. Die Kurve 41 zeigt den Kraftverlauf bei der Ausbildung des Luftspaltes 27 und 28 entsprechend der Fig.1. Im Gegensatz dazu zeigt die unterbrochen gezeichnete Kurve 42 einen Kurvenverlauf wie dieser durch die Ansenkung 39 und / oder die Einschnitte 40 der Fig. 2 erreicht wird. Mit 43 ist der absinkende Teil der Kurve bezeichnet.

Wirkungsweise

Die beschriebene Kolbenpumpe arbeitet wie folgt: Ohne Er— regerstrom halten die beiden Federn 15 und 16 den Schwingkolben 9 in einer Mittelstellung, und die beiden Luftspalte. 27 und 28 sind etwa gleich gross. Der Dauermagnetfluss des Ringmagneten 17 teilt sich in die beiden Flüsse 29 und 30 und beide gelangen über den Luftspalt 19 zum Anker 12 und von dort über den Luftspalt 27 bzw. 28 zum Pol 23 bzw. 24 des Gehäuses 1 bzw. des Deckels 2 und schliessen sich im Aussenmantel des Gehäuses 1.

Die beiden Erregerspulen 21 und 22 erzeugen einen gemeinsamen Elektromagnetfluss, der sich in den Polen 23 und 24 über die Luftspalte 27 und 28, den Anker 12 und den Aussenmantel des Gehäuses 1 schliesst. Der Ringmagnet 17 wird von diesem Elektromagnetfluss 38 praktisch nicht durchflossen und wird daher durch diesen Wechselfluss nicht geschwächt.

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Im folgenden seien der Blektromagnetfluss 38 während der positiven Halbwelle und dessen Wirkung auf den Schwingkolben 9 betrachtet: Der Blektromagnetfluss 38 unterstützt im Luftspalt 28 den Dauermagnetfluss 30, während er im Luftspalt dem Dauermagnetfluss 29 entgegenwirkt und diesen somit schwächt. Das Kräftegleichgewicht auf den Anker 12 wird aufgehoben und dadurch der Schwingkolben 9 in der Anordnung der Fig. 1 nach rechts bewegt. Der Widerstand im Luftspalt 28 verkleinert sich sowohl für den Dauermagnetfluss 30 als auch für den Elektromagnetfluss 38 und. erhöht sich dementsprechend im Luftspalt 27. Der Anker 12 dringt berührungslos mit möglichst kleinem Luftspalt 28 in die Bohrung 32 des Poles 24 ein.

Statt in die Bohrungen 31 und 32 der Pole 23 bzw. 24 einzutauchen, könnte der Anker 12 beidseitig auch entsprechend geformte Pole 23 bzw. 24 in den Endstellungen berührungslos umschliessen, ebenfalls mit möglichst kleinem Luftspalt.

Da eich die Anziehungskraft eines Magneten mit dem Quadrat der Länge des Luftspaltes ändert, ergibt sich im vorliegenden Beispiel ein Anstieg der auf den Schwingkolben 9 wirkenden Kraft P über den Weg h entsprechend der Kurve 41 der Fig. 3. Dieser steile Kraftanstieg ist für die Erzeugung einer harmonischen Schwingung des Schwingkolbens 9 nicht erwünscht. Die stirnseitige Partie des rohrförmigen Ankers 12 und / oder die Stirnseiten 25 und 26 der Pole 23 und 24 weisen daher mit 'Vorteil eine die magnetische Kraft - Weg

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- Charakteristik linearisierende Form auf. Dies kann durch eine Ansenkung 39, 39a der Inaenbohrung des Ankers- 12 und / oder der Pole 23 und 24 erreicht sein. FUr den gleichen Zweck können an den Stirnseiten 25 und 26 der Pole 23 und 24 zakkenförmige Einschnitte 40 angebracht werden« ■

Durch die Zunahme der Länge des Luftspaltes 27, und weil der Anker 12 die Bohrung 18 des Ringmagneten 17 zum Teil verlässt, nimmt die Magnetkraft entsprechend der Kurve 43 wieder ab und erreicht je nach der Dimensionierung sogar negative Werte. Dieser Effekt kann als magnetische Bremse ausgenutzt werden, um den Schwingkolben 9 bei Leerlauf vor einem mechanischen Aufschlagen in seinen Endstellungen zu bewahren.

Der Querschnitt des Ankers 12 wird vorteilhaft so gewählt, dass dieser in der magnetischen Sättigung arbeitet. Dadurch entstehen bei herstellungsbedingter Exzentrizität des Ankers 12 zur Bohrung 18 des Ringmagneten 17 praktisch keine zusätzlichen Querkräfte auf den Schwingkolben 9 und dessen Lager 7 und 8.

Während des bisher betrachteten Bewegungsablaufes tritt selbstverständlich noch die Rückstellkraft der Arbeitsfeder 16 auf sowie der zu überwindende Druck des Pumpmediums. Auch wirken Beschleunigungskräfte. Ferner ist der Elektromagnetfluss 38 im Betrieb nicht konstant, doch bewirken alle diese Kräfte ein Abbremsen des Schwingkolbens 9 und ein

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Wiederbeschleunigen in die andere Bewegungsrichtung. Er schwingt mit der Frequenz des Erregerstromes hin und her.

Im nachfolgenden wird die hydraulische Arbeitsweise betrachtet: Bei einer Beschleunigung des Schwingkolbens 9 nach links bezüglich der Fig. 1 schliesst das Ventil 33 _t weil die Kugel 36 zufolge ihrer Massenträgheit gegen die Bohrung in der Büchse 35 gedrückt wird. Weil der Hohlkolben 10 an seinen äusseren Enden 13, 14 in Lagerbüchsen 7 und θ dichtend geführt ist, bildet sich auf der Ansaugseite 6 ein Unterdruck und das Ventil 34 öffnet, weil die Kugel %' von der Büchse 35' abgehoben wird. Es strömt Medium durch einen nicht dargestellten Anschlussstutzen. Gleichzeitig verdrängt der Hohlkolben 10 auf der Druckseite 5 die seinem Durchmesser am Ende 13 und seinem Hub entsprechende Menge des Mediums in einen nicht dargestellten Druckstutzen.

Beim Zurücklaufen des Hohlkolbens 10, also in der Bewegungsrichtung nach rechts bezüglich Fig. 1, bildet sich auf der Ansaugseite 6 ein Ueberdruck. Das Ventil 34 schliesst, indem die Kugel 36* auf die Bohrung der Büchse 35' gepresst wird. Das Medium wird verdrängt, strömt durch den dünnwandigen Hohlkolben 10, öffnet das Ventil 33 und gelangt zur Druckseite 5. Das vom Ende 13 des Hohlkolbens 10 auf der Druckseite 5 in der Bohrung 3 eingenommene Volumen muss beim Zurückgehen des Hohlkolbens 10 nach rechts durch das durch den Hohlkolben strömende Medium ersetzt werden. Damit die

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Pumpe auch bei der betrachteten Bewegungsrichtung nach rechts am Förderstutzen eine Fördermenge abgeben kann, muss die wirksame Kolbenfläche 'am Ende H des Hohlkolbens 10 grosser sein als an dessen Ende 13» Die Tbeste Leistung ergibt sich dann, wenn der Durchmesser des Hohlkolbens auf der Ansaugseite 6 wenigstens annähernd um den Faktor Y2~ grosser ist als auf der Druckseite 5.

Da die beschriebene Pumpe als SDauehpumpe verwendbar und dabei im zu fördernden.Medium gans eingetaucht ist, füllt si©h deren Innenraum mit dem Medium an„ lebst dem Flüssigkeitstransport durch den Hohlkolben findet bei® Hin«= und Hergehen ein Austausch des sich in den Bohrungen 31 und 32-befindlichen Mediums durch den freien Querschnitt 11a statt« Bieser Querschnitt 11a ergibt sich durch das Verhältnis des mag= netisch wirksamen Querschnittes des Inkers 12 zm& hydraulisch wirksamen Querschnitt dei Hohlkolben® 10 und soll mindestens 2:1, vorteilhaft 15st

Das beschriebene Ausführungsfeeispiel arbeitet mit zwei "Irregerspulen 21 und 22 _o Die Anordnung könnte auch nur fü> eine Spule ausgelegt herden,, Durch die Verwendung zweier Spulen kann durch deren Beinen-= oder Parallelschaltung di© Möglichkeit einer Betriebsspannungs -' Umschaltung von zvm Beispiel 220 auf 110 Y erreicht werden.

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Claims

Landis & Gyr AG.
PATENTANSPRUKCHE

(j J Schwinganker - Kolbenpumpe mit zwei Ventilen und mindestens einem Dauermagneten, mindestens einer elektrischen Erregerspule, einem Pumpenkolben und mindestens einer Arbeitsfeder, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf der Saug- (6) und Druckseite (5) verschiedene Aussendurchmesser aufweisender Hohlkolben (iO) konzentrisch in einem den Magnetfluss leitenden Anker (12), mit einem im Verhältnis zum hydraulisch wirksamen Querschnitt des Hohlkolbens (10) grossen magnetischen Querschnitt so angeordnet ist, dass zwischen dem äussern Umfang des Hohlkolbens (10) und der inneren Partie des Ankers (12) ein relativ grosser freier Querschnitt (11a) verbleibt, und dass der Hohlkolben (10) mit den Anker (12) und zwei Federn (15,16) einen Schwingkolben (9) bildet, der in Lagerbüchsen (7 und 8) in einem Gehäuse (1) und einem Deckel (2) dichtend geführt ist, dass ferner der Anker (12) des Schwingkolbens (Q) von den Polen mindestens eines Dauermagneten (17) so umschlossen ist, dass zwischen diesen Polen und dem Anker (12) ein erster, möglichst kleiner Luftspalt (¹9) verbleibt, dass weiter zwei feststehende, von mindestens einer lirregerspule (21,22) umschlossene Pole (23,24) des Gehäuses (1) bzw. deö Deckels (2) stirnseitig mit dem Anker (12) zwei weiteie, gegenüber dein ersten Luftspalt (19) grosser:: Luftspulte (27,28) bilden, die zusammen mit dem kleinen Luftspalt (19) zwischen dem Anker (12) und den Polen des Dauermagneten (17) in zwei von diesem Magneten {]"!) er-

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zeugten und durch das Gehäuse (1) und den Deckel (2) geschlossenen Dauermagnetflüssen (29,30) liegen.
2. Schwinganker-Kolb.enpumpe nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daas der Dauermagnet (17) als radial magnetisierter Ring Ringmagnet mit seiner Bohrung (18) den Anker (12) des Schwingkolbens umschliesst und seinerseits vom rotationssymmetrischen Gehäuse (1) getragen ist.
3. Schwinganker-Kolbenpumpe nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des magnetisch wirksamen Querschnittes des Ankers (12) zum hydraulisch wirksamen Querschnitt des Hohlkolbens (10) mindestens 2:1, vorteilhaft etwa 15 : 1 beträgt.
4. Schwinganker-Kolbenpumpe nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den äussersten Hublagen des Schwingkolbens (9) der Anker (12) und die von den Er-

• regerspulen (21 ,22) umschlossenen Pole (23,24) berührungslos ineinander eindringen.

5. Schwinganker-Kolbenpumpe nach Patentansprüche 1 und dadurch gekennzeichnet, dass die stirnseitigen Partien des rohrförmigen Ankers (12) und/oder die Stirnseiten (25,26) der Pole (23,24) eine die magnetische Kraft Weg - Charakteristik linearisierende Form aufweist.

6. Schwinganker-Kolbenpumpe nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Linearisierung dienende Formgebung des Ankers (12) und / oder der Pole (23. 24) durch eine Ansenkung (39) der Innenbolirung des Ankers (12) bzw. der Pole (23,24) erreicht ist.

7. Schv/inganker-Kolbenpumpe nach Patentansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Linearisierung der Kraft-V'eg - Charakteristik die. Stir-nseiten (25,26) der Pole (23, 24) zaekeriförmige Einschnitte (40) aufweisen.

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8. Schwinganker-Kolbenpumpe nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das3 der Schwingkolben (9) und damit auch der Anker (12) bei nicht erregten Spulen (2t,22) durch zwei Federn (15»16) in einer Mittelstellung gehalten ist.

9. Schwinganker-Kolbenpumpe nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkolben (9) als dünnwandiger Hohlkolben (10) ausgebildet ist und in seiner inneren Längsbohrung ein Ventil (35) enthält.

10. Schwinganker-Kolbenpumpe nach Patentanspruch 9t dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Hohlkolbens (1ü) auf der Ansaugseite (6) wenigstens annähernd um den Paktor ViPgrosser ist als auf der Druckseite (5).

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