DE3421463A1 - Elektromechanisch-hydraulisches aggregat zur foerderung von fluessigkeiten - Google Patents

Description

342K63

ELIN-UNION Aktiengesellschaft für elektrische Industrie in Wien

"Elektromechanische-hydraulisches Aggregat zur Förderung von Flüssigkeiten"

3A2U63

Die Erfindung betrifft ein elektrosaechanisch-hydraulisches Aggregat zur Förderung von Flüssigkeiten unter Druck, insbesondere als Antrieb für ein batteriebetriebenes Fahrzeug.

Zur Förderung von Flüssigkeit und zur gleichzeitigen Erzeugung eines höheren Druckes in diesen Flüssigkeiten zum Zwecke der Energieübertragung sind schon verschiedene Systeme bekannt mit zum Teil technisch weitestgehend ausgereiften Komponenten.

Im Prinzip bestehen diese Systeme aus einem Druckerzeuger in Form einer rotierend oder linear bewegten Kolbenpumpe und deren Antriebselement, welches entweder ein Kolbenmotor oder ein Elektromotor ist.

Elektrische Antriebe werden vor allem dann als Antriebselement eingesetzt, wenn ein primäres Speisenetz zur Verfügung steht oder die Energieentnahme aus einer Batterie erfolgt. Letztere Version kommt vor allem für nichtstationäre Anwendungen in Frage, insbesondere für batteriebetriebene Fahrzeuge z.B. Gabelstapler, bei denen neben der eigentlichen Antriebsleistung zur Fortbewegung, auch Arbeitsleistung für Manipulationen, wie Heben von Lasten usw. benötigt wird. Je nach Fahrzeugart und Einsatzbedingungen können auch alle Bewegungsabläufe hydraulisch betätigt werden, wodurch sich sehr kompakte und leistungsstarke Ausführungen erzielen lassen.

Ein bekanntes System zur Förderung von Flüssigkeit unter Druck besteht in seiner einfachsten Form auf der druckerzeugenden Seite aus einem Gleichstrommotor mit darangekoppelter, hydraulischer Pumpe. Diese fördert in einen hydraulischen Druckspeicher, der als Arbeitsspeicher für die wechselnde Energieentnahme dient. Wenn dabei die von der Pumpe gelieferte mittlere Energieabgabe nicht benötigt wird, kann eine Regelung in der Form erfolgen, daß entweder auf der Pumpenseite gerade nicht benötigte Arbeitsflüssigkeit

342K63

in einem Bypaß vorbeigeleitet wird oder Vorwiderstände an den Gleichstrommotor angeschaltet werden. Beide Lösungen arbeiten mit der Vernichtung von gerade nicht benötigter Energie und ergeben daher schlechte Wirkungsgrade und eine ungenügende Ausnutzung der Batterie, wodurch häufigeres Nachladen dieser erforderlich ist.

In moderneren Schaltungen wird daher der Vorwiderstand durch einen Gleichstromsteller auch Chopper genannt ersetzt. Diese Schaltungsart verbindet Einfachheit mit hohem Wirkungsgrad. Argumente werden lediglich gegen den Gleichstrommotor vorgebracht, da der Kollektor einige Wartungsarbeit erfordert und die Anwendung höherer Drehzahlen nach obenhin, begrenzt ist. Höhere Drehzahlen lassen sich mit Asynchron- oder Synchronmotoren erzielen, wodurch die gerade bei mobilen Antrieben sehr wichtige Verringerung der Baugrößen und damit des Leistungsgewichtes erreicht wird.

Schaltungen für Asynchronmotoren sind ebenfalls bekannt und _f bestehen aus einem Gleichstromsteller mit dahinterliegendem Siebglied und einem, meist dreiphasigem, Wechselrichter, » wodurch sowohl die Höhe der Spannung am Drehstromasynchronmotor als auch die Arbeitsfrequenz geregelt wird. Das Siebmittel kann eine Drossel mit als Steller nachgeschaltetem Phasenfolgewechselrichter sein oder ein Kondensator mit anschließender Impulsbreitenregelung des Motors. Natürlich können beide letztgenannten Schaltungen für Gleichstrom- und Asynchronmotoren nicht nur zum Antrieb einer Hydraulikpumpe, sondern ebenso zur direkten Speisung von Fahrzeugmotoren selbst, eingesetzt werden. Die Auswahl hinsichtlich der Systemkompo-

nenten wird vom Anwendungszweck bestimmt. \

Speziell bei der Auslegung der beiden oben beschriebenen Varianten für den Einsatz bei batteriebetriebenen Fahrzeugen er- ! geben sich Nachteile durch das doch relativ hohe Gewicht der i einzelnen Fahr- bzw. Pumpenmotoren, sowie durch den höheren [ Steuerungsaufwand bei reinem Einsatz von Drehstrommotoren j und durch die Einschränkungen des Gleichstrommotors hinsichtlich Auslegung und Wartung. Ein weiterer Nachteil ergibt sich

COPY

342U63

durch den schlechteren Wirkungsgrad der elektrischen Schaltung bei der Drehstroiastellung, da der Energiefluß zweimal umgesetzt werden muß und dadurch höhere Verluste entstehen. Letztlich bedingt der gesamte Schaltungsaufwazid auch Bauvolumen und damit entsprechendes Gewicht und auch Kosten.

Veiters sind Fördersysteme in Form von Schwingförderpumpen bekannt, die aus mit Eigenresonanz oder im Takt der Netzfrequenz schwingenden Ankern in Zusammenbau mit Membranpumpen oder ähnlichem arbeiten. Solche Aggregate werden zu.r Speisung von Miniaturspringbrunnen eingesetzt. Sie können jedoch schon von ihrem prinzipiellen mechanischen und schaltungstechnischen Aufbau her nicht für Fahrzeugantrieb verwendet werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Antrieb für ein batteriebetriebenes Fahrzeug zu schaffen, welcher einen guten Wirkungsgrad und damit bestmögliche Ausnutzung des Energieinhaltes der Batterie aufweist.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrischer Gleichfeldmagnet einen axialen hohlzylindrischen Luftspalt aufweist, in dem axial verschiebbar eine ein-oder mehrlagige zylindrische Spule angeordnet ist, an welcher Befestigungselemente vorgesehen sind, die mit einer zur Verschieberichtung der Spule parallelen Stange, welche in Führungseinrichtungen gelagert ist, verbunden sind und daß am freien Ende der Stange ein Pumpenkolben einer Hydraulikeinrichtung vorgesehen ist.

Dadurch ist erstmals ein Antrieb mit geringem Gewicht und geringem Volumen vorhanden. Es steht somit mehr Gewicht und Volumen für die Nutzzwecke des Fahrzeuges zur Verfügung. Von Vorteil ist, daß der Pumpenkolben in einem Pumpenzylinder angeordnet ist, in welchem mindestens zwei Ventile angeordnet sind.

Ein weiterer Vorteil ist, daß die Stange beidseitig des Pumpenkolbens verläuft, und je eine Nocke im gleichen Abstand von

—■ V —

342H63

diesen aufweist und daß der Pumpenkolben in einem Pumpenzylinder, welcher an beiden Enden je eine Öffnung mit einem Rohr aufweist, angeordnet ist und daß ein weiterer Pumpenzylinder, der über die Rohre mit dem anderen Pumpenzylinder verbunden ist, vorgesehen ist, der an beiden Enden und in der Mitte Öffnungen aufweist, wobei in die Mittlere Druckflüssigkeit einleitbar ist, und daß in diesem Pumpenzylinder ein Steuerschieber vorgesehen ist, an dem im Abstand der beiden Rohre Pumpenkolben befestigt sind und außerhalb des anderen Pumpenzylinders eine.Raste vorgesehen ist und daß der Steuerschieber, an beiden Enden Mitnehmer aufweist, wodurch der Steuerschieber von den Nocken auf der Stange betätigbar ist.

Dadurch ist die Möglichkeit der Energierücklieferung in die Batterie gegeben.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

In Fig. 1 ist die einfachste Ausführungsvariante der Erfindung dargestellt, die Fig. 2 und 3 zeigen je eine Erregerschaltung für die bewegte Spule und aus Fig. 4 ist eine energierücklieferfähige Hydraulik ersichtlich. j

Die in Fig.l dargestellte technische Realisierung der elektrischen Seite des Systems besteht aus einem topfförmigen Gleichfeldmagneten1,dessen Luftspalt einen Hohlzylinder darstellt. In diesem Luftspalt ist eine ein- oder mehrlagige Spule2auf Führungselementen so angeordnet, daß sie axial frei über eine bestimmte Strecke verschiebbar ist. Diese Spule 2 wird von einem aufgeprägten Arbeitsstrom durchflossen und er- , möglicht über an ihr angebrachten Befestigungselementen 4 und Führungseinrichtungen 5 die mechanische Ankopplung der elek- ! tromechanischen Energie und die Übertragung an den Pumpen- j kolben 6. Der Pumpenzylinder 7 ist mit Ventilen 8 derart vei, | sehen, daß eine Förderung der Flüssigkeit erfolgen kann. j Das Gleichfeld des Magneten kann durch eine gleichstromer- j regte Wicklung 3 erzeugt werden oder dadurch, daß entweder der gesamte Körper einen Permanentmagneten darstellt oder ; in einem magnetisch weichen Körper passend Permanentmagnete ;

COPY I

3A2U63

eingebaut sind.

In der konstruktiven Durchbildung werden vorzugsweise die Spule 2 mit den Beiestiguiigselementen 4 und den Pumpenkolben 6 samt Zylinder 7 so aufgebaut, daß eine möglichst kompakte Anordnung erreicht wird.

Zur besseren mechanischen Anpassung an die Spulenkonstruktion können die Pumpen el esa en te auch mehrfach, vorzugsweise sternförmig, mit parallelen Achsen angeordnet sein. Die Spule 2 wird mit Strömen von Sinus- oder Rechteckform erregt, die aus dafür geeigneten, bekannten Schaltungen gewonnen werden. Diese kann z.B.ein Gleichstromsteller oder ein Schwingkreis wie in Fig. 2 dargestellt _s sein, der über ein Stellglied 10 und eine Siebdrossel 11 mit eingeprägtem Strom versorgt wird und dessen Frequenz durch die Induktivität der Spule 2 und der Kapazität der parallel geschalteten Kondensators 12 bestimmt wird.

Ebenso kann die ^Hdualeⁿ Schaltung eingesetzt werden, bei der das Siebglied ein Kondensator 13 ist und die Spule 2 mit dem Kompensationskondensator 14 in Reihe geschaltet einen Serienresonanzkreis ergeben (Abb. 3)· Hi.ebei bedeuten jeweils 9 die Batterie, 10 den Gleichstromsteller, 1 1 bzw. 13 das Siebmittel, 12 bzw. 14 den Kompensationskondensator, 2 die Schwingspule und 15 die die Umschaltung bewirkenden Halbleiter.

Bei Anwendung von Resonanzkreisen und bei Speisung aus einer Batterie kann jedoch vorschlagsgeraMß der Steller weggelassen werden und die Regelung durch Verstimmung der aufgeprägten Frequenz des Wechselrichters gegenüber der Resonanzfrequenz des Arbeitskreises erfolgen, so daß auf diese Weise die Energieabgabe an die Pumpe und damit deren Förderleistung geregelt wird.

In beiden Fällen der Schaltungen nach Fig. 2 bzw. 3 wird vorgeschlagen, durch geeignete Auslegung,die mechanische Resonanzfrequenz der Schwingspule - die sich aus deren Masse samt der des Pumpenkolbens, der etwaigen Federelemente und der Dämpfung ergibt - gleich groß zu wählen wie die des die Antriebsenergie liefernden elektrischen Schwingkreises,

342H63

dessen Verte letztlich durch Spuleninduktivität (Luftspalt) und Kapazität bestimmt sind.

Die notwendige Kühlung der Schwingspule kann nach einem weiteren Vorschlag direkt durch die Hydraulikflüssigkeit erfolgen, indem diese oder ein Teil davon auf der Ansaugseite durch den Luftspalt gefördert wird.

In gleicher Weise kann die Kühlung der für die Leistungsregelung erforderlichen Halbleiter durch die Hydraulikflüssigkeit erfolgen. Durch den mechanisch - und bei geeigneter Wahl der Potentialpunkte auch elektrisch - möglichen, engen Zusaramenbau der verlustwärmeerzeugenden Elemente wird ein sehr kompakter und damit einfacher Aufbau erzielt.

Wie kurz angeführt, besteht der wesentliche mechanische Teil des Fördersystems aus einer Kolbenpumpe. Diese kann einfach- oder doppelwirkend arbeiten, wobei die Druckseite durch Rückschlagventile abgeriegelt ist. Die Förderung der Druckflüssigkeit erfolgt in einem Arbeitsspeicher oder direkt zu den Verbrauchern insbesondere den Hydraulikmotoren. Das vorgeschlagene Fördersystem ist im Prinzip rücklieferfähig, wenn das Pumpenelement entsprechend ausgebildet ist. Im einfachsten Fall kann dies durch eine Anordnung nach Fig. erreicht werden.

Der Steuerschieber 21 wird durch eine Raste22oder eine Feder in einer Endstellung fixiert. Bei Beaufschlagung der Leitung23 mit Druckflüssigkeit wird der Arbeitskolben 24 über den fCanal und Kammer 29 beaufschlagt und verschiebt sich unter Abgabe von Leistung nach rechts. Passend vor Erreichen der rechten Endstellung schiebt die Nocke 26 über den Mitnehmer 27 den Steuerkolben ebenfalls in die rechte Endlage. Dadurch wird nunmehr über den Kanal 28 die andere Seite des Arbeitskolbens mit Druckflüssigkeit versorgt, der beim Zurückgehen die Flüssigkeit aus der Kammer29 über den Xanal 25 und die drucklose Seite des Steuerschiebers in den Vorratsbehälter drückt.

Die Bewegungsgeschwindigkeit des Systems ist prinzipiell neben der Dämpfung durch den angetriebenen Mechanismus und der Höhe des Arbeitsdruckes bestimmt von den durch die Dimensionierung gegebenen Wegen und Massen der mechanischen Elemente, so daß

BAD ORIGSMAL

durch geeignete Auslegung die erforderlichen Hubzahlen erreicht werden.

Natürlich können zur Aussteuerung des Pumpenkolbens auch herkömmliche Bauelemente, wie elektrohydraulische Schalter, Ventile oder rein hydraulische Schaltverstärker eingesetzt werden, doch bedeuten diese Lösungen erhöhten Aufwand und niedrigere Arbeitsfrequenzen.

Im Falle eines Fahrzeuges kann die Erzeugung des Druckes durch die als Pumpe arbeitenden Arbeitsmotore erfolgen. Geeignete Ausführungsformen, deren Energierichtung erforderlichenfalls umsteuerbar ist, sind mehrfach bekannt.

Durch Vertauschen der Druck- und Ablaufseite - über ein' passendes Umschaltelement - vor dem Pumpenelement, kann der Energiefluß umgekehrt werden, wodurch die Anordnung als Fördereinrichtung arbeitet.

Bei der vorgeschlagenen Lösung ist das angetriebene bzw. antreibende Element die Schwingspule, in der durch die Bewegung im Magnetfeld eine Spannung induziert wird. Ist die für die Erregung der Schwingspule gewählte Schaltung ebenfalls rücklieferfähig, kann auf diesem Weg der Energiefluß aus der die gesamte Einrichtung versorgende Stromquelle, vorzugsweise einer Batterie, bis zu den Verbrauchern, insbesondere den als pumpenarbeitenden Motoren beliebig umgesteuert werden.

Für die Rücklieferung in ein Speicherelement z.B. eine elektrochemische Batterie, ist es jedoch notwendig, eine Polarisations- oder Ladespannung zu überwinden, die zumeist höher als die Abgabespannung ist. Wenn die rückspeisenden Elemente Energie auf einem niedrigen Niveau anbieten, müßte diese Rückspeisung mit Hilfe von elektrischen Zwischenspeichern, z.B. Kondensatoren und Pulsschaltungen bewerkstelligt werden. Diese Elemente stellen jedoch einen erheblichen, zusätzlichen Aufwand dar.

Als Lösung dieses Problems wird daher vorgeschlagen, einen hydraulischen Zwischenspeicher vorzusehen, der in üblicher Art mit Preßluft, direkt oder über Gummibälge, als Gegendruckelement arbeitet. Der Druck in diesem Zwischensoeicher wird - auch durch geringe Rückliefermengen von Hydraulik-

3A2U63

flüssigkeit aus den Motoren - solange aufgebaut, bis dieser Druck für einen oder mehrere Hübe des Pumpenzylinders mit solcher Geschvfindigkeit ausreicht, daß die Höhe der in der * Schwingspule induzierten Spannung zur Überwindung der Gegenspannung des Speicherelementes (der Batterie) genügt. Die Steuerung des Auslösedruckes kann über durckabhängige • Ventile oder indirekt über Drucksensoren und eine elektrische Steuerung erfolgen.

Insbesondere kann die Steuerung in Verbindung mit Endschaltern erfolgen, die die Endlagen des Arbeitskolbens bzw. des Steuerschiebers kontrollieren und zusammen mit dem Druckmesser im Grenzfall nur jeweils einen Hub des Arbeitskolbens mit der für die Rücklieferung notwendigen induzierten Spannungshöhe auslösen.

Claims (3)

1. Patentanwälte
   LEWINSKY & PRIETSCH _ ι _

   Gotthardstr. 81
   D-8000 München 21 0 H Z I 4 D 0

   15.278

   8. Juni 19 84

   Patentansprüche

   ( 1.JElektromechanische-hydraulisches Aggregat zur

   Förderung von Flüssigkeiten unter Druck, insbesondere als Antrieb für ein batteriebetriebenes Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrischer Gleichfeldmagnet einen axialen hohlzylindrischen Luftspalt" aufweist, in dem axial verschiebbar eine ein- oder
   mehrlagige zylindrische Spule angeordnet ist, an welcher Befestigungselemente vorgesehen sind, die mit einer zur Verschieberichtung der Spule parallelen Stange, welche in Führungseinrichtungen gelagert ist, verbunden sind und'daß am freien Ende der Stange ein Pumpenkolben
   einer Hydraulikeinrichtung vorgesehen ist.
2. 2. Elektromechanisch-hydraulisches Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenkolben in einem Pumpenzylinder angeordnet ist, in welchem mindestens
   zwei Ventile, angeordnet sind.
3. 3. Elektromechanisch-hydraulisches Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange beidseitig des Pumpenkolbens verläuft, und je eine Nocke im gleichen Abstand von diesem aufweist und daß der Pumpenkolben in einem Pumpenzylinder, welcher an beiden Enden je
   eine Öffnung mit einem Rohr aufweist, angeordnet ist und daß ein weiterer Pumpenzylinder, der über die Rohre mit dem anderen Pumpenzylinder verbunden ist, vorgesehen

   ist, der an beiden Enden und in der Mitte Öffnungen aufweist, wobei in die Mittlere Druckflüssigkeit einleitbar ist und daß in diesem Pumpenzylinder ein Steuerschieber vorgesehen ist, an dem im Abstand der beiden Rohre Pumpenkolben befestigt sind unfl außerhalb des anderen Pumpenzylinders eine Raste vorgesehen ist und daß der Steuerschieber an beiden Enden Mitnehmer aufweist, wodurch der Steuerschieber von den Nocken auf der Stange betätigbar ist.