DE3033684A1 - PISTON PUMP WITH ELECTROMAGNETIC DRIVE - Google Patents

PISTON PUMP WITH ELECTROMAGNETIC DRIVE

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DE3033684A1 DE19803033684 DE3033684A DE3033684A1 DE 3033684 A1 DE3033684 A1 DE 3033684A1 DE 19803033684 DE19803033684 DE 19803033684 DE 3033684 A DE3033684 A DE 3033684A DE 3033684 A1 DE3033684 A1 DE 3033684A1
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    • F04B17/04—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors using solenoids
    • F04B17/046—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors using solenoids the fluid flowing through the moving part of the motor
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K33/02—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with armatures moved one way by energisation of a single coil system and returned by mechanical force, e.g. by springs
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Description

R. ja ι 3R. yes ι 3

5·9·1980 Lr/Hrn5 9 1980 Lr / Hrn

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

Kolbenpumpe mit elektromagnetischem AntriebPiston pump with electromagnetic drive

Kolbenpumpen mit mechanischem Antrieb sind bereits seit der Antike bekannt. Betätigung und Dampfkraft wurde vor allem im Bergbau und bei Lokomotiven verwendet. Elektrische Betätigung von Kolbenpumpen geschieht meist auf dem Umweg über die Drehbewegung mittels Elektromotoren. Es gibt auch Pumpen mit elektromagnetisch angetriebenem schwingendem Kolben, die als Reziprotor-Kompressoren bekannt sind.Piston pumps with mechanical drives have been around for known in antiquity. Operation and steam power were used primarily in mining and locomotives. Electric Actuation of piston pumps usually takes place indirectly via the rotary movement by means of electric motors. There are also pumps with electromagnetically driven oscillating pistons known as reciprocating compressors are.

Bei diesen Pumpen wird die Antriebskraft in eisengeschlossenen Systemen dadurch erzeugt, daß der Kolben selbst oder ein mit ihm verbundenes ferromagnetisches Kraftlinienleitstück in den magnetischen Kreis einbezogen ist und durch seine Position dessen magnetischem Widerstand beeinflußt.With these pumps, the driving force is in iron-locked Systems generated by the piston itself or a ferromagnetic force line guide piece connected to it is involved in the magnetic circuit and its magnetic resistance is influenced by its position.

Nachteilig sind der schlechte Wirkungsgrad und die hohe elektrische Zeitkonstante. Diese begrenzt die Hubfrequenz. Für schnelle Pump- oder Spritzvorgänge z.B. bei einer Verwendung als Einspritzpumpe im Kraftfahrzeug bedeutet dies eine unerwünschte Einschränkung.The disadvantage is the poor efficiency and the high electrical time constant. This limits the stroke frequency. This means for fast pumping or spraying processes, e.g. when used as an injection pump in a motor vehicle an undesirable limitation.

Erfindungsgemäß werden die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen vorgeschlagen, durch welche die Kachteile vermieden werden und darüber hinaus grundsätzlich eine Steuerung von Geschwindigkeit und Position der, FToI ben 5 nach vorgegebenen "eitgesetzen möglich wird.According to the invention, the measures specified in the characterizing part of the main claim are proposed, by means of which the tile parts are avoided and, in addition, a control of the speed and position of the FToI ben 5 according to given "time laws" is possible in principle.

Ν-ί U nJ -J VJ C ^fΝ-ί U nJ -J VJ C ^ f

5 15 J S5 15 J S

-Jt--Jt-

Bei nicht durchbohrtem Zylinder kann diese einseitig f.erichtet<&. Strömung auch durch einen Kanal mit Rückschlagventil erzeugt werden, der durch den ruhenden Pumpenteil führt und die zylindrischen Hohl räume vor den ΚοΊΙημιγ. l.i rnflächen verbindet.For non-pierced cylinder it can fe unilaterally directed <&. Flow can also be generated through a channel with a check valve, which leads through the stationary pump part and the cylindrical hollow spaces in front of the ΚοΊΙημιγ. connecting surfaces.

Sie besteht gemäß Figur 1 aus den koaxialen, schalenförmigen Eisenkernen 1 und 2, mit den Wicklungen 3 und h und dem gemeinsamen ringförmigen Kraftlinienleitstück 5. Zwischen die durchbohrten zentralen Pole der Kerne 1, 2 ist eine unmagnetische Laufbuchse 6 eingesetzt, die in die Bohrung des Leitstücks 5 paßt. Der so entstehende zylindrische Raum zwischen den Polflächen von 1 und 2 wird weitgehend durch den aus ferromagnetischem Material hoher Remanenz und Koerzitivkraft z.B. Kobald-Samarium, hergestellten Kolben 7 ausgefüllt, in dessen mit konischem Sitz 10 versehener Bohrung 11 sich die unmagnetische Ventilkugel 8 befindet. Die Verbindung des zylindrischen Pumpenraumes über dem Kolben mit dem zylindrischen Raum unter dem Kolben kann auch über einen Kanal durch den ruhenden Pumpenteil mit eingefügtem Rückschlagventil erfolgen. Ein Rückschlagventil in der Zuleitung verhindert einen Flüssigkeitsrückfluß zur Quelle. Zwei Ring- -Scheiben 9 aus unmagnetischen Material an den Stirnflächen des Kolbens verhindern magnetisches Kleben des Kolbens 7 an den Polflächen der Kerne 1 und 2.According to Figure 1, it consists of the coaxial, shell-shaped iron cores 1 and 2, with the windings 3 and h and the common ring-shaped force line guide piece 5. Between the pierced central poles of the cores 1, 2, a non-magnetic bushing 6 is inserted, which is inserted into the bore of the Guide piece 5 fits. The resulting cylindrical space between the pole faces of 1 and 2 is largely filled by the piston 7 made of ferromagnetic material with high remanence and coercive force, e.g. cobalt samarium, in whose bore 11 provided with a conical seat 10 the non-magnetic valve ball 8 is located. The connection of the cylindrical pump space above the piston with the cylindrical space below the piston can also take place via a channel through the stationary pump part with an inserted check valve. A check valve in the supply line prevents liquid from flowing back to the source. Two ring washers 9 made of non-magnetic material on the end faces of the piston prevent the piston 7 from sticking magnetically to the pole faces of the cores 1 and 2.

Wenn der Kolben unter dem Einfluß von Erreger strömen durch die Spulen 3 und k bewegt werden soll, so kommen zwei Arten der Magnetisierung in Betracht, die in Figur 2 und 3 schematisch dargestellt sind. Im ersten Fall gemäß Figur ist der Kolben 7 durchgehend magnetisiert und die Spulen sind derart geschaltet, daß die Polflächen der Elektromagnete gleichnamig sind, wenn Spannung anliegt. Dann tritt an einen der Enden des Kolbens 7 Anziehung, am anderen Ende Abstoßung ein und es resultiert eine Kraft K, deren Richtung von der Polung der Spannungsquelle abhängt.When the piston under the influence of flow through the excitation coils 3 and k is to be moved, two types of magnetization come into consideration, which are shown schematically in Figure 2 and 3. FIG. In the first case according to the figure, the piston 7 is magnetized throughout and the coils are connected in such a way that the pole faces of the electromagnets have the same name when voltage is applied. Then attraction occurs at one end of the piston 7 and repulsion at the other end, and a force K results, the direction of which depends on the polarity of the voltage source.

ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

Eine genäherte quantitative Betrachtung ergibt für die Anziehungskraft in mittlerer Stellung des KolbensAn approximate quantitative consideration shows the attraction force in the middle position of the piston

F=F=C __
ou KF = F = C __
ou K

worin der vom magnetisierten Kolben erzeugte Fluß ist und C eine Konstante bedeutet. Die obere und untere Anziehungskraft sind gleich groß und entgegengesetzt gerichtet, so daß sie sich aufheben. Wird nun durch die Elektromagnete jeweils ein zusätzlicher Fluß , erzeugt, so addiert sich dieser am einen Ende zum eingeprägten Fluß des Magneten, während er sich am anderen Ende von jenem subtrahiert. Es entstehen Kräftewhere is the flux generated by the magnetized piston and C means a constant. The upper and lower gravitational pull are equal and directed in opposite directions, so that they cancel each other out. If an additional flux is now generated by the electromagnets, then so this adds up to the impressed flux of the magnet at one end, while at the other end it is added to that subtracted. Forces arise

F/F /

deren Resultierende durchtheir resultant by

F = ρ x - F x = k cfctf. F = ρ x - F x = k cfctf.

ο u ' K stο u 'K st

gegeben ist.given is.

Diese Kraft ist proportional zum Zusatzfluß 0 und kehrtThis force is proportional to the additional flow 0 and reverses

S "CS "C

mit diesem auch ihr Vorzeichen um. Der Faktor 0,r zeigt,with this also their sign changes. The factor 0, r shows

daß durch den Permanentmagneten elektrische Leistung gespart und - wegen des geringen Zusatzflusses bei erhöhtem eingeprägten Fluß, wie er besonders bei den modernen Hochleistungsmagnetwerkstoffen erzielt werden kann, auch die Zeitkonstante verringert wird.that electrical power saved by the permanent magnet and - because of the small additional flow with increased impressed flow, as it is especially with the modern ones High performance magnetic materials can be achieved, also the time constant is reduced.

Im zweiten Fall nach Figur 3 sind die beiden Hälften des Kolbens T gegenläufig magnetisiert, so daß dessen Stirnflüchen gleichnamig sind. Die Spulen 3, H der Elektromag-In the second case according to FIG. 3, the two halves of the piston T are magnetized in opposite directions, so that its end faces are of the same name. The coils 3, H of the electromagnet

ORIGINAL INSPEOTEDORIGINAL INSPEOTED

3 0ο Ju843 0ο Ju84

nete 1, 2 sind so geschaltet, daß die Polflächen der Elektro magneten ungleichnamig werden, wenn ein Steuerstrom fließt. Auch hier addiert sich der Steuerfluß am einen Ende des Magneten zu dem eingeprägten Eigenfluß, während er sich am anderen Ende von diesem subtrahiert. In mittlerer Stellung entsteht daher wieder eine zum Steuerfluß proportionale Kraft.nete 1, 2 are connected so that the pole faces of the electric magnets become dissimilar when a control current flows. Here, too, the tax flow adds up at one end of the Magnet to the impressed self-flux, while it subtracts from this at the other end. In the middle position therefore again a force proportional to the control flow arises.

Bei den neuen hochkoersitiven Magnetwerkstoffen ist die relative Permeabiltät nur wenig höher als 1. Daher bildet sich zwischen den Polen der Elektromagnete 1, 2 und dem ringförmigen Kraftlinienwerkstück der in Figur k skizzierte Kraftlinienverlauf, bei dem innerhalb des permamenten Magneten ein inhomogenes Zusatzfeld besteht. Hierdurch wird die resultierende Kraft gegenüber einem homogenen Feld vermindert. Das Feld im permanentmagnetischen Kolben läßt sich durch Einfügen einer Scheibe aus weichmagnetischen Material in den Kolben homogenisieren, so daß die erzielbare Antriebskraft erhöht wird. In Figur 5 ist dieser Sachverhalt schematisch dargestellt. Aus dem Kraftlinienleitstück 5 treten die Linien der magnetischen Induktion radial in die schraffiert gezeichnete Scheibe ein. Aus dieser treten sie axial gerichtet aus und durchsetzen nun - abgesehen von einer gewissen Streuung, die in Figur 5 nicht berücksichtigt ist - die permanentmagnetischen Zylinderstücke 13 und 1H ebenfalls im wesentlichen axial, so daß sie, wie zuvor normal in die Polflächen der Elektromagneten 1, 2 eintreten.The relative permeability of the new high-coersitive magnetic materials is only slightly higher than 1. Therefore, the force line curve sketched in Figure k forms between the poles of the electromagnets 1, 2 and the ring-shaped force line workpiece, in which there is an inhomogeneous additional field within the permanent magnet. This reduces the resulting force compared to a homogeneous field. The field in the permanent magnetic piston can be homogenized by inserting a disk made of soft magnetic material into the piston, so that the achievable drive force is increased. This situation is shown schematically in FIG. From the force line guide piece 5, the lines of the magnetic induction radially enter the hatched disk. From this they emerge in an axially directed manner and now - apart from a certain scatter, which is not taken into account in FIG. 2 enter.

Die lineare Abhängigkeit der Antriebskraft des Kolbens vom Strom, insbesondere die mögliche Umkehr der Kraftrichtung erlaubt es, den zeitlichen Verlauf der Kolbenbewegung durch vorgegebenen Stromverlauf zu steuern. So kann z.B. ein zeitlinearer Verlauf durch einen Regelvor-The linear dependence of the driving force of the piston from the current, in particular the possible reversal of the direction of force, allows the chronological progression of the piston movement to be controlled by the specified current flow. For example, a time-linear course can be

ORIGINAL INSPECTED-ORIGINAL INSPECTED-

:- .: J 3033B841 : -. : J 3033B84 1

gang erzwungen werden, bei dem die Geschwindigkeit des Kolbens konstant gehalten wird. Als Signal für die Geschwindigkeit kommt die vom "bewegten magnetischen Kolben induzierte Spannung in Betracht. Diese läßt sich mit Hilfe von Kunststschaltungen extrahieren und als Eingangssignal einpr Schaltung zur Steuerung des Spulenntroms benützen, wie ilios in t'iyuj· f> tingeduutul. 1 r. L. Der Krregerstrom fließt in die Wicklungen 3 und k der Elektromagnete über die Steuereinrichtung 1S und die Mxtraktionsschaltung In 1 6 wird das Signal w. für die Momentangeschwindigkeit des Kolbens gebildet. Die Differenz zwischen w.gear, in which the speed of the piston is kept constant. The voltage induced by the moving magnetic piston comes into consideration as the signal for the speed. This can be extracted with the aid of artificial circuits and used as an input signal for a circuit to control the coil current, as ilios in t'iyuj · f> tingeduutul. 1 r. L. The Krreger current flows into the windings 3 and k of the electromagnets via the control device 1S and the extraction circuit In 16, the signal w. For the instantaneous speed of the piston is formed.

istis

und dem Sollwert der Geschwindigkeit w ^1 steuert die Einrichtung 15.and the setpoint of the speed w ^ 1 controls the device 15.

Grundsätzlich kann das Signal w. auch mit einer getrenn-In principle, the signal w. Can also be provided with a separate

istis

ten Wicklung erhalten werden, in der die Bewegung des magnetisierten Kolbens eine geschwindigkeitsproportionale Spannung induziert.th winding can be obtained in which the movement of the magnetized The piston induces a voltage proportional to the speed.

Wird dieses Signal elektrisch integriert, so ergibt sich ein Positionssignal. Durch dessen Rückführung gemäß Figur T in die Steuereinrichtung 15 für den Erregerstrom kann eine gewünschte Position angefahren werden. Hierzu ist im gewählten Beispiel die Sensorwicklung 17 vorgesehen, die den Integrator 18 ansteuert und, mittelbar über diesem, das Positionssignal s. liefert. Nach Subtraktion des Sollwertes s des Sollwertes der Position gelangt das Signal an die Steuereinrichtung 15, die z.B. als PD-Regler ausgebildet sein kann, und nimmt dadurch Einfluß auf den Erreger strom . Hierdurch wird die willkürliche Einstellung einer·, bent, i mmi.en Hubvolumen r- der Pumpe möp;lich und ■/.WM. 1· wulilwoi r.i ο im Vorlauf oder Rücklauf. Statt durch Inte-If this signal is integrated electrically, a position signal results. By feeding it back into the control device 15 for the excitation current as shown in FIG. T, a desired position can be approached. For this purpose, the sensor winding 17 is provided in the selected example, which controls the integrator 18 and, indirectly via this, supplies the position signal s. After subtracting the setpoint s from the setpoint of the position, the signal reaches the control device 15, which can be designed as a PD controller, for example, and thereby influences the exciter current. This makes the arbitrary setting of a ·, required, i mmi.en stroke volume r- of the pump possible and ■ / .WM. 1 · wulilwoi ri ο in the forward or reverse direction. Instead of through

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

gration des Geschwindigkeitssignals läßt sich die Position auch mit anderen Mitteln der Längemeßtechnik, z.B. trägerfrequent, induktiv, galvanognetisch oder optisch messen.gration of the speed signal, the position also measure with other means of length measurement technology, e.g. carrier frequency, inductive, galvanic or optical.

Claims (1)

ROBERT BOSCH GMBH5 7000 Stuttgart 1ROBERT BOSCH GMBH 5 7000 Stuttgart 1 AnsprücheExpectations Ii y Elektromagneti sch betätigte, einseitig wirkende Kol"benpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (T) als durchbohrter Zylinder aus ferromagnetischem Material hoher Remanenz und Koerzitivkraft z.B. Kobalt-Samarium, ausgeführt und permanent axial magnetisiert ist und sich in einer Laufbüchse (6) aus unmagnetischem Material zwischen den Polen von zwei koaxial gestalteten Elektromagneten (1, 2) unter dem Einfluß eines Erreger Stroms hin- und herbewegt, wobei der magnetische Kreis jeweils über ein gemeinsames radial zur Mitte des Kolbens gerichtetes Kraftlinienleitstuck (5) geschlossen ist und wobei vorzugsweise ein in der axialen Längsbohrung (11) des Kolbens befindliches Ventil (8) für eine einseitig gerichtete Strömung sorgt.Ii y electromagnetically actuated, single-acting piston pump, characterized in that the piston (T) as a pierced Cylinder made of ferromagnetic material with high remanence and coercive force, e.g. cobalt samarium and is permanently axially magnetized and located in a liner (6) made of non-magnetic material between the poles of two coaxially designed electromagnets (1, 2) back and forth under the influence of an exciter current moved here, the magnetic circuit each directed radially towards the center of the piston via a common one Kraftlinienleitstuck (5) is closed and preferably one in the axial longitudinal bore (11) of the piston located valve (8) ensures a unidirectional flow. 2. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (7) durchgehend in einer Richtung axial magnetisiert ist und die Wicklungen (3, M der beiden Elektromagnete (1, 2) so geschaltet sind, daß bei Stromfluß zwei zueinander gleichnamige Pole gegenüber den Stirnflächen des Kolbens (7) entstehen.2. Piston pump according to claim 1, characterized in that that the piston (7) is axially magnetized continuously in one direction and the windings (3, M of the two Electromagnets (1, 2) are connected so that when current flows two poles with the same name opposite the End faces of the piston (7) arise. ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED ü"::: ''.:J 3ο33-S8ü ":: ''. J 3ο33-S8 3. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (7) zwei in entgegengesetzter Richtung axial magneti sierte Hälften (13, 1M besitzt, denen bei Erregung der Elektromagnete (1, 2) zwei einander ungleichnamige Pole frontal gegenüber stehen.3. Piston pump according to claim 1, characterized in that the piston (7) has two in opposite directions axially magnetized halves (13, 1M, which at Excitation of the electromagnets (1, 2) two opposite poles face each other. U. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte des Kolbens (7) eine Scheibe (12) aus weichmagnetischem Material eingefügt ist, die sich innerhalb vorzugsweise des ringförmig ausgebildeten KraftlinienleitStückes (5) befindet und eine bessere Ausnutzung des permanentmagnetischen Materials gestattet.U. Piston pump according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that in the middle of the piston (7) one Disc (12) made of soft magnetic material inserted is, which is located within preferably the ring-shaped force line guide piece (5) and better utilization of the permanent magnetic Materials permitted. 5. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis h, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom durch die Spulen (3, h) iltr IC Ί '-klromagneloii (1, 2) mitl.olr, einer elektronischen Schaltung in einer Weise gesteuert wird, die einen gewünschten Ablauf der Kolbenbewegung erzeugt.5. Piston pump according to one of claims 1 to h, characterized in that the current through the coils (3, h) iltr IC Ί '-klromagneloii (1, 2) mitl.olr, an electronic circuit is controlled in a way that generated a desired sequence of piston movement. 6. Kolbenpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 55 dadurch gekennr.e i chnet , daß ;i.ln Ein(jan/;r;größp der elektronischen L''Challung eine Spannung dient, die in den Wicklungen (3, M durch die Bewegung des Magneten (7) induziert wird und ein Maß für dessen Momentangeschwindigkeit ist.6. Piston pump according to claims 1 to 5 5 characterized gekennr.ei chnet that; i.ln A (jan /; r; Großp the electronic L''Challung a voltage is used, which in the windings (3, M by the movement of the magnet (7) is induced and is a measure of its instantaneous speed. BAD ORIGINALBATH ORIGINAL T. Kolbenpumpe nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Kolbengeschwindigkeitssignals eine getrennt Wicklung vorgesehen ist.T. piston pump according to claims 5 and 6, characterized in that for generating the piston speed signal a separate winding is provided. 8. Kolbenpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Geschwindigkeitssignal durch elektrische Integration in ein Posititionssignal überführt und dieses zur Steuerung des Kolbenhubs benutzt wird.8. Piston pump according to claim 6, characterized in that the speed signal by electrical integration converted into a position signal and this is used to control the piston stroke.
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