EP2913526A1 - Verfahren zum Fördern von Hydraulikfluid und elektrohydraulische Motor-Pumpen-Einheit dafür - Google Patents

Verfahren zum Fördern von Hydraulikfluid und elektrohydraulische Motor-Pumpen-Einheit dafür Download PDF

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EP2913526A1 EP15153042.5A EP15153042A EP2913526A1 EP 2913526 A1 EP2913526 A1 EP 2913526A1 EP 15153042 A EP15153042 A EP 15153042A EP 2913526 A1 EP2913526 A1 EP 2913526A1
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electric motor
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    • F04C2270/052—Speed angular
    • F04C2270/0525—Controlled or regulated

Definitions

  • the present invention relates to a method for conveying hydraulic fluid in a hydraulic system by means of an electrically driven, unsupported positive displacement pump or, more precisely, a method for smoothing a due to the unsteady promotion resulting pulsation of the hydraulic fluid in the hydraulic system.
  • the invention further relates to an electro-hydraulic motor-pump unit for use in the method according to the invention.
  • Electro-hydraulic motor-pump units are systems which consist of a hydraulic displacement unit, an electric motor and an associated electrical drive device. Such motor-pump units are colloquially often referred to as a "power pack". They are used to convert electrical energy into hydraulic energy and are used in numerous fields of application, such as in the automotive sector, in mobile machines or, more generally, in the industrial sector.
  • the discontinuity of the hydraulic fluid delivery is due to the fact that the positive displacement pumps, depending on the design, have one or more pumping chambers, which successively first receive hydraulic fluid from the suction side and then eject it on the pressure side.
  • piston pumps generate a pressure pulse in the hydraulic system with each piston stroke.
  • gear pumps with each revolution of the impeller one of the number of impeller teeth corresponding Zarl generated by pressure pulses in the hydraulic system.
  • the pulsation frequency thus depends on the speed with which the positive displacement pump is operated, that is on its "frequency", namely the frequency per unit time with which the positive displacement pump receives or expels hydraulic fluid by means of its pumping chamber or pumping chambers.
  • the delivery frequency is usually regular, but that is by no means mandatory.
  • the pressure pulsation in the hydraulic fluid occurring as a result of the unsteady delivery volume leads to disadvantageous phenomena in the hydraulic system, in particular frequent disturbing noises as a result of excited vibrations.
  • Object of the present invention is to provide an alternative for smoothing the pressure pulsation in a hydraulic system, which occurs due to the unsteady promotion by means of positive displacement pumps.
  • a method according to the invention for conveying hydraulic fluid in a hydraulic system by means of an electrically driven, unsupported positive displacement pump smoothes the pulsation of the hydraulic fluid in the hydraulic system due to the unsteady delivery by smoothing the drive torque or the rotational speed of the electric drive according to the conveyor frequency
  • Positive displacement pump is suitably modulated.
  • a pulsation parameter characterizing the pulsation can advantageously be detected and used for the purposes of this modulation, for example the pressure pulsation in the hydraulic system, and the drive torque of the electric drive for driving the positive displacement pump can be adjusted accordingly be recorded pulsation parameter modulated.
  • the rotational speed of the electric drive can alternatively be modulated directly. Because even the modulation of the drive torque ultimately leads to nothing other than a corresponding change, d. H. Modulation, the rotational speed and therefore in each case to a temporal modulation of the delivery by the positive displacement pump.
  • the pressure pulsation in the hydraulic system is used as the hydraulic parameter, then it is advantageous to detect the pressure at one or more of the hydraulic connections of the motor-pump unit, for example by means of a pressure sensor, preferably on the pressure side.
  • the pulsation of the volume flow can also be detected, preferably again directly at one or more of the hydraulic connections of the motor-pump unit, and preferably again on the pressure side.
  • the detected pulsation parameter serves as an input variable for the control device of the electric motor for compensating the pulsation after the detected pulsation parameter has been resolved into a signal processable by the drive means. Since this input value reacts back to the input quantity via the control device of the electric motor and via the positive displacement pump driven by the electric motor, the overall result is a regulated system.
  • a pulsation or oscillation of the drive torque of the electric motor itself is used as the pulsation parameter instead of the pressure pulsation or the volume flow pulsation.
  • the pulsation produced by the unstable positive displacement pump generates an associated torque pulsation on the drive shaft of the positive displacement pump.
  • this torque pulsation of the drive shaft can be detected and used to modulate the drive torque of the electric motor for driving the positive displacement pump.
  • a correspondingly responsive electrical control device of the electric motor For the necessary modulation of the drive torque on the basis of such a pulsation parameter, a correspondingly responsive electrical control device of the electric motor is required.
  • circuits with so-called Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are suitable.
  • FPGAs Field Programmable Gate Arrays
  • An electrohydraulic motor-pump unit suitable for the above-described method accordingly comprises an unstable positive-displacement pump for conveying hydraulic fluid in a hydraulic system, a coupled to the positive displacement pump electric motor for driving the positive displacement pump and an electric motor coupled to the electric drive means for controlling the electric motor, wherein the positive displacement pump, the electric motor and the drive means preferably in a common housing block with hydraulic connections, for coupling the motor-pump unit a hydraulic system are arranged are housed.
  • the housing block may further advantageously comprise a hydraulic fluid tank for the hydraulic system.
  • the electro-hydraulic motor-pump unit additionally comprises, as part of the electrical drive device, a modulator for modulating the drive torque of the electric motor corresponding to the delivery frequency of the positive displacement pump, preferably further comprising a detector for detecting one of the above-described pulsation parameters and the modulator is set up, to modulate the drive torque of the electric motor based on the detected pulsation parameter.
  • the detection of a pulsation parameter and modulating the drive torque on the basis of the detected pulsation parameter is by no means mandatory in order to smooth the pulsation.
  • a smoothing is already achieved when the modulation of the drive torque according to the delivery frequency of the positive displacement pump based on empirical values is preset.
  • the pulsation also depends on properties of the hydraulic system, in particular the elasticity of the hydraulic system, so that a fully controlled system taking into account current pulsation parameters is advantageous. But a firm presetting of a dependent of the delivery frequency of the positive displacement pump modulation of the drive torque can already lead to satisfactory results.
  • this fixed preset adjust later or only set when the motor-pump unit is connected to the hydraulic system for which it is intended.
  • the advantages achieved by the invention are that the pressure pulsation on the hydraulic connections can be minimized until almost completely eliminated. On secondary measures for Pulsationsreduzi für in the hydraulic system can be omitted if necessary, so that, for example, assembly costs and / or costs can be reduced.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an electro-hydraulic motor-pump unit in which a positive displacement pump 1, an electric motor 2 and an electrical drive means 3 are housed in a common housing block.
  • the displacement pump 1 has two hydraulic ports 4 for connecting the motor-pump unit to the suction side and the pressure side of a hydraulic system. It can be provided more hydraulic connections.
  • displacement pumps come a variety of unsteady promotional hydraulic displacement units into consideration, such as the aforementioned internal gear pumps, external gear pumps, piston pumps or other pumps with successively pumping pumping chambers.
  • the type of electric motor is essentially not critical to the invention. It is crucial that the drive torque provided by the electric motor for the electric motor 1 or the rotational speed of the electric motor 1 are adjustable, because drive torque and rotational speed are directly related to each other. For adjusting or modulating the drive torque or the rotational speed of the electric motor 2, the electrical control device 3 is used.
  • a pressure sensor 5 is arranged on the hydraulic pump 1 so that the pressure at the pressure-side hydraulic port 4 can be measured with it. With reversing motor-pump units, it may be expedient to provide a further pressure sensor in a corresponding manner at the second hydraulic connection 4. Via a return line 6, the sensor signal provided by the pressure sensor 5 is supplied to the electronic control device 3. The sensor signal is processed in the electronic drive device 3 and used to drive torque to modulate the electric motor according to the delivery frequency of the positive displacement pump so that it is as constant as possible. As a result, this also leads to the fact that the rotational speed of the electric motor is modulated. By suitable modulation of the drive torque or the rotational speed of the electric motor, the pressure conditions in the hydraulic system can be changed and compensate for pressure fluctuations by appropriate change.
  • FIG. 2 shows schematically over the time t the course of the pressure p in the hydraulic system and the course of the driving torque M on the drive shaft of the electric drive compared to the course of the rotational speed (rpm) of the electric drive.
  • po, M 0 and Uo / min show the course without pressure compensation control in dashed lines, while the course with compensation control is shown in each case as a solid line.
  • U M / min actually varies by the mean value U M / min, but only slightly, because the engine alternately due to the unsteady delivery and the resulting volume flow pulsation against slightly higher and lower pressures in the hydraulic system promotes.
  • the drive torque M or the rotational speed of the electric motor is modulated so that the electric motor delivers more volume per unit time to the lower system pressure po to bring the mean pressure p M , and vice versa at a higher system pressure po.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of an electro-hydraulic motor-pump unit.
  • another pulsation parameter is used to modulate the drive torque and the rotational speed of the electric motor 2, namely, instead of the hydraulic pressure po in the hydraulic system, the drive torque Mo of the electric motor 2 is used as the basis for the modulation. That is, it is monitored by means of an evaluation circuit of the electric control device 3, to what extent the drive torque Mo of the electric motor 2 due the discontinuously conveying positive displacement pump 1 pulses, and this pulsation parameter is used in the electrical control device 3 to regulate the drive torque or the rotational speed of the electric motor 2 so that any drive torque fluctuations are compensated as possible.
  • This technical solution is structurally the least expensive and leads in a simple manner to a smoothing of the pressure pulsation in the hydraulic system, because any pressure pulsation in the hydraulic system acts on the voltage applied to the electric motor 2 Mo torque.
  • FIG. 4 shows a motor-pump unit with hydraulic displacer unit 1, electric motor 2 and integrated hydraulic tank 7, as it is preferably used in a hydraulic system. With 8 the hydraulic lines are marked. The electrical control device 3 is not clearly visible here but part of the electric motor. 2

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Abstract

Eine elektrohydraulische Motor-Pumpen-Einheit umfasst eine unstet fördernde Verdrängerpumpe (1) zum Fördern von Hydraulikfluid in einem Hydrauliksystem, einen mit der Verdrängerpumpe (1) gekoppelten Elektromotor (2) zum Antreiben der Verdrängerpumpe (1) und eine mit dem Elektromotor (2) gekoppelte elektrische Ansteuereinrichtung (3) zum Steuern des Elektromotors (2). Mittels eines Detektors (5) wird ein Pulsationsparameter erfasst, beispielsweise ein Hydraulikdruck (p0) im Hydrauliksystem oder ein Antriebsdrehmoment (M0) des Elektromotors, welcher von einer aufgrund unsteter Förderung von Hydraulikfluid in dem Hydrauliksystem entstehenden Pulsation herrührt, und mittels eines Modulators als Teil der elektrischen Ansteuereinrichtung (3) wird das Antriebsdrehmoment (M) oder die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors (2) zum Antreiben der Verdrängerpumpe (1) auf Basis des erfassten Pulsationsparameters moduliert. Im Ergebnis wird das Antriebsdrehmoment (M) bzw. die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors (2) entsprechend der Förderfrequenz der Verdrängerpumpe (1) moduliert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fördern von Hydraulikfluid in einem Hydrauliksystem mittels einer elektrisch angetriebenen, unstet fördernden Verdrängerpumpe oder, genauer gesagt, ein Verfahren zum Glätten einer aufgrund der unsteten Förderung entstehenden Pulsation des Hydraulikfluids im Hydrauliksystem. Die Erfindung betrifft desweiteren eine elektrohydraulische Motor-Pumpen-Einheit zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren.
  • Als elektrohydraulische Motor-Pumpen-Einheiten werden Systeme bezeichnet, welche aus einer hydraulischen Verdrängereinheit, einem Elektromotor und einer zugehörigen elektrischen Ansteuereinrichtung bestehen. Solche Motor-Pumpen-Einheiten werden umgangssprachlich häufig als "Power-Pack" bezeichnet. Sie dienen dazu, elektrische Energie in hydraulische Energie umzuwandeln und finden Einsatz in zahlreichen Anwendungsgebieten, wie im Automobilbereich, bei mobilen Arbeitsmaschinen oder auch ganz allgemein im Industriesektor.
  • Unterschiedliche hydraulische Verdrängereinheiten, Elektromotoren und elektrische Ansteuerungen für die Elektromotoren sind im Zusammenhang mit solchen Motor-Pumpen-Einheiten bekannt. Dabei kommen verschiedenste Verdrängerprinzipien zum Einsatz, wie beispielsweise Innenzahnradpumpen, Außenzahnradpumpen, Kolbenpumpen und dergleichen. Dabei ist allen diesen Verdrängerprinzipien gemein, dass sich die Verdrängerpumpen trotz eines stetigen Antriebs mittels des Elektromotors durch eine unstete Förderung des Hydraulikfluids auszeichnen, was eine mehr oder minder ausgeprägte Pulsation des Drucks in den hydraulischen Anschlüssen zur Folge hat, sowohl auf der Saugseite als auch - insbesondere - auf der Druckseite.
  • Die Unstetigkeit der Hydraulikfluidförderung ist dadurch bedingt, dass die Verdrängerpumpen je nach Bauart ein oder mehrere Pumpkammern aufweisen, die sukzessive zunächst Hydraulikfluid von der Saugseite aufnehmen und anschließend auf der Druckseite ausstoßen. So wird zum Beispiel bei Kolbenpumpen mit jedem Kolbenhub ein Druckpuls im Hydrauliksystem generiert. Im Falle von Zahnradpumpen werden mit jeder Umdrehung des Pumpenrads eine der Anzahl der Pumpenradzähne entsprechende Zarl von Druckpulsen im Hydrauliksystem erzeugt. Die Pulsationsfrequenz hängt somit von der Geschwindigkeit ab, mit der die Verdrängerpumpe betrieben wird, das heißt von ihrer "Förderfrequenz", nämlich von der Häufigkeit pro Zeiteinheit, mit der die Verdrängerpumpe mittels ihrer Pumpkammer oder Pumpkammern Hydraulikfluid aufnimmt bzw. ausstößt. Die Förderfrequenz ist in aller Regel regelmäßig, aber das ist keineswegs zwingend.
  • Die in Folge des unsteten Fördervolumens auftretende Druckpulsation im Hydraulikfluid führt zu nachteiligen Erscheinungen im Hydrauliksystem, insbesondere häufig zu störenden Geräuschen infolge von angeregten Schwingungen.
  • Um zu vermeiden, dass die Druckpulsation in das Hydrauliksystem übertragen wird, werden in bekannten Hydrauliksystemen Sekundärmaßnahmen getroffen und beispielsweise hydraulische Speicher, sogenannte Pulsationsdämpfer, oder auch Blenden in den Leitungen integriert, oder die Leitungen werden zumindest teilweise durch Schläuche mit definierter Nachgiebigkeit, sogenannte Dehnschläuche, gebildet.
  • Je nach den jeweiligen Glättungsmaßnahmen entstehen Aufwand und/oder Kosten bei der Auswahl, Abstimmung, Anordnung und/ oder Montage.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Alternative zum Glätten der Druckpulsation in einem Hydrauliksystem anzugeben, welche aufgrund der unsteten Förderung mittels Verdrängerpumpen auftritt. In diesem Zusammenhang ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine dazu geeignete elektrohydraulische Motor-Pumpen-Einheit vorzuschlagen.
  • Dementsprechend sieht ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Fördern von Hydraulikfluid in einem Hydrauliksystem mittels einer elektrisch angetriebenen, unstet fördernden Verdrängerpumpe vor, die aufgrund der unsteten Förderung entstehende Pulsation des Hydraulikfluids im Hydrauliksystem dadurch zu glätten, dass das Antriebsdrehmoment oder die Drehgeschwindigkeit des elektrischen Antriebs entsprechend der Förderfrequenz der Verdrängerpumpe geeignet moduliert wird.
  • Da die Pulsation im Hydrauliksystem unmittelbar abhängt von der Förderfrequenz der Verdrängerpumpe, kann für die Zwecke dieser Modulation vorteilhaft ein die Pulsation charakterisierender Pulsationsparameter erfasst und genutzt werden, beispielsweise also die Druckpulsation im Hydrauliksystem, und das Antriebsdrehmoment des elektrischen Antriebs zum Antreiben der Verdrängerpumpe kann entsprechend dieses erfassten Pulsationsparameters moduliert werden.
  • Denn die von den Pumpkammern der Verdrängerpumpe verursachte Pulsation im Hydrauliksystem erzeugt eine zugeordnete Drehmomentpulsation an der Antriebswelle der Verdrängerpumpe. Über die entsprechende Modulation des Antriebsdrehmoments des elektrischen Antriebs auf Basis des erfassten Pulsationsparameters, also beispielsweise auf Basis der im Hydrauliksystem erfassten Druckpulsation, ist es möglich, die Momentenunstetigkeit an der Antriebswelle der Verdrängerpumpe auszugleichen und somit die Pulsation schon an den hydraulischen Anschlüssen zu glätten, das heißt zu eliminieren oder zumindest zu minimieren.
  • Anstatt das Antriebsdrehmoment des elektrischen Antriebs zu modulieren, kann alternativ auch unmittelbar die Drehgeschwindigkeit des elektrischen Antriebs moduliert werden. Denn auch die Modulation des Antriebsmoments führt letztlich zu nichts anderem als einer entsprechenden Änderung, d. h. Modulation, der Drehgeschwindigkeit und daher im Ergebnis jeweils zu einer zeitlichen Modulation der Förderung durch die Verdrängerpumpe.
  • Wird als Hydraulikparameter die Druckpulsation im Hydrauliksystem herangezogen, so ist es vorteilhaft, den Druck an einem oder mehreren der Hydraulikanschlüsse der Motor-Pumpen-Einheit zum Beispiel mittels eines Drucksensors zu erfassen, vorzugsweise auf der Druckseite. Alternativ kann anstelle des Drucks auch die Pulsation des Volumenstroms erfasst werden, vorzugsweise wieder unmittelbar an einem oder mehreren der Hydraulikenschlüsse der Motor-Pumpen-Einheit, und vorzugsweise wieder auf der Druckseite.
  • Der erfasste Pulsationsparameter, sei es die Pulsation des Hydraulikdrucks oder die Pulsation des geförderten Volumenstroms, dient dann als Eingangsgröße für die Ansteuereinrichtung des Elektromotors zur Ausregelung der Pulsation, nachdem der erfasste Pulsationsparameter in ein von der Ansteuereinrichtung verarbeitbares Signal aufgelöst worden ist. Da diese Eingangsgröße über die Ansteuereinrichtung des Elektromotors und über die mittels des Elektromotors angetriebene Verdrängerpumpe wieder auf die Eingangsgröße zurückwirkt, ergibt sich insgesamt ein geregeltes System.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante wird als Pulsationsparameter anstelle der Druckpulsation oder der Volumenstrompulsation eine Pulsation bzw. Schwingung des Antriebsdrehmoments des Elektromotors selbst herangezogen. Denn wie bereits erwähnt, erzeugt die von der unstet fördernden Verdrängerpumpe hervorgerufene Pulsation eine zugeordnete Drehmomentpulsation an der Antriebswelle der Verdrängerpumpe. Durch eine in der elektrischen Ansteuereinrichtung implementierte Schaltung zur Ermittlung des Drehmoments des Elektromotors kann diese Drehmomentpulsation der Antriebswelle erfasst und zur Modulierung des Antriebsdrehmoments des Elektromotors zum Antreiben der Verdrängerpumpe herangezogen werden.
  • Für die notwendige Modulierung des Antriebsdrehmoments auf Basis eines solchen Pulsationsparameters ist eine entsprechend reaktionsschnelle elektrische Ansteuereinrichtung des Elektromotors erforderlich. Für solche extrem schnellen Zykluszeiten in der Elektronik eignen sich zum Beispiel Schaltungen mit sogenannten Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). Ferner ist bei der Auswahl des Elektromotors auf ein Modell mit ausreichender Dynamik zu achten.
  • Eine für das vorbeschriebene Verfahren geeignete elektrohydraulische Motor-Pumpen-Einheit umfasst dementsprechend eine unstet fördernde Verdrängerpumpe zum Fördern von Hydraulikfluid in einem Hydrauliksystem, einen mit der Verdrängerpumpe gekoppelten Elektromotor zum Antreiben der Verdrängerpumpe und eine mit dem Elektromotor gekoppelte elektrische Ansteuereinrichtung zum Steuern des Elektromotors, wobei die Verdrängerpumpe, der Elektromotor und die Antriebseinrichtung vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuseblock mit Hydraulikanschlüssen, die zur Kopplung der Motor-Pumpen-Einheit an ein Hydrauliksystem eingerichtet sind, untergebracht sind. Der Gehäuseblock kann desweiteren vorteilhaft einen Hydraulikfluidtank für das Hydrauliksystem umfassen. In jedem Falle weist die elektrohydraulische Motor-Pumpen-Einheit zusätzlich als Teil der elektrischen Ansteuereinrichtung einen Modulator zum Modulieren des Antriebsdrehmoments des Elektromotors entsprechend der Förderfrequenz der Verdrängerpumpe auf, wobei vorzugsweise desweiteren ein Detektor zum Erfassen eines der vorbeschriebenen Pulsationsparameter vorgesehen und der Modulator eingerichtet ist, das Antriebsdrehmoment des Elektromotors auf Basis des erfassten Pulsationsparameters zu modulieren.
  • Das Erfassen eines Pulsationsparameters und Modulieren des Antriebsdrehmoments auf Basis des erfassten Pulsationsparameters, das heißt die Einrichtung eines vollständigen Regelsystems, ist aber keineswegs zwingend, um die Pulsation zu glätten. Eine Glättung wird bereits dann erreicht, wenn die Modulation des Antriebsdrehmoments entsprechend der Förderfrequenz der Verdrängerpumpe aufgrund von Erfahrungswerten fest voreingestellt wird. Zwar hängt die Pulsation auch von Eigenschaften des Hydrauliksystems ab, insbesondere der Elastizität des Hydrauliksystems, so dass ein vollständig geregeltes System unter Berücksichtigung aktueller Pulsationsparameter vorteilhaft ist. Aber eine feste Voreinstellung einer von der Förderfrequenz der Verdrängerpumpe abhängenden Modulierung des Antriebsdrehmoments kann bereits zu zufriedenstellenden Ergebnissen führen. Zu Optimierungszwecken ist es auch möglich, diese feste Voreinstellung nachträglich anzupassen oder erst dann einzustellen, wenn die Motor-Pumpen-Einheit an dem Hydrauliksystem, für das es bestimmt ist, angeschlossen ist.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass die Druckpulsation an den hydraulischen Anschlüssen minimiert bis nahezu vollständig eliminiert werden kann. Auf sekundäre Maßnahmen zur Pulsationsreduzierung im Hydrauliksystem kann dadurch gegebenenfalls verzichtet werden, so dass beispielsweise Montageaufwand und/ oder Kosten reduziert werden können.
  • Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben. Darin zeigen:
    • Figur 1
    eine realistische Darstellung einer elektrohydraulischen Motor-Pumpen-Einheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Maßstab 1:1,
    Figur 2
    schematisch und idealisiert den zeitlichen Verlauf des Hydraulikdrucks des Antriebsdrehmoments und der Motordrehzahl in einem Hydrauliksystem mit und ohne Pulsationskompensation,
    Figur 3
    eine realistische Darstellung einer elektrohydraulischen Motor-Pumpen-Einheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Maßstab 1:1, und
    Figur 4
    eine realistische Darstellung einer elektrohydraulischen Motor-Pumpen-Einheit mit integriertem Hydrauliktank im Maßstab 1:2.
  • Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrohydraulischen Motor-Pumpen-Einheit, bei welchem eine Verdrängerpumpe 1, ein Elektromotor 2 und eine elektrische Ansteuereinrichtung 3 in einem gemeinsamen Gehäuseblock untergebracht sind. Die Verdrängerpumpe 1 besitzt zwei Hydraulikanschlüsse 4 zum Anschließen der Motor-Pumpen-Einheit an die Saugseite und die Druckseite eines Hydrauliksystems. Es können weitere Hydraulikanschlüsse vorgesehen sein.
  • Als Verdrängerpumpen kommen unterschiedlichste unstetig fördernde hydraulische Verdrängereinheiten in Betracht, wie beispielsweise die eingangs genannten Innenzahnradpumpen, Außenzahnradpumpen, Kolbenpumpen oder andere Pumpen mit sukzessiv fördernden Pumpkammern. Die Art des Elektromotors ist für die Erfindung im wesentlichen unkritisch. Entscheidend ist, dass das von dem Elektromotor bereitgestellte Antriebsdrehmoment für den Elektromotor 1 oder die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 1 einstellbar sind, denn Antriebsdrehmoment und Drehgeschwindigkeit hängen unmittelbar miteinander zusammen. Zur Einstellung bzw. Modulierung des Antriebsdrehmoments bzw. der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 2 dient die elektrische Steuerungseinrichtung 3.
  • Ein Drucksensor 5 ist an der Hydraulikpumpe 1 so angeordnet, dass der Druck am druckseitigen Hydraulikanschluss 4 damit gemessen werden kann. Bei reversierenden Motor-Pumpen-Einheiten kann es zweckmäßig sein, am zweiten Hydraulikanschluss 4 einen weiteren Drucksensor in entsprechender Weise vorzusehen. Über eine Rückführleitung 6 wird das von dem Drucksensor 5 zur Verfügung gestellte Sensorsignal der elektronischen Ansteuereinrichtung 3 zugeführt. Das Sensorsignal wird in der elektronischen Ansteuereinrichtung 3 verarbeitet und dazu verwendet, das Antriebsdrehmoment des Elektromotors entsprechend der Förderfrequenz der Verdrängerpumpe so zu modulieren, dass es möglichst konstant ist. Im Ergebnis führt dies auch dazu, dass die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors moduliert wird. Durch geeignete Modulierung des Antriebsdrehmoments bzw. der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors lassen sich die Druckverhältnisse im Hydrauliksystem verändern und durch geeignete Veränderung Druckschwankungen ausgleichen. Da der Drucksensor 5 Druckschwankungen unmittelbar am Hydraulikanschluss 4 erfasst und da die am Hydraulikanschluss auftretenden Druckschwankungen im wesentlichen ausschließlich von der unsteten Förderung des Hydraulikfluids mittels der Verdrängerpumpe herrühren, lassen sich mit dem beschriebenen Aufbau der Motor-Pumpen-Einheit gemäß Figur 1 Druckpulsationen im Hydrauliksystem durch geeignete Modulierung des Antriebsdrehmoments oder der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors glätten.
  • Figur 2 zeigt schematisch über der Zeit t den Verlauf des Drucks p im Hydrauliksystem und den Verlauf des Antriebsdrehmoments M an der Antriebswelle des elektrischen Antriebs im Vergleich zum Verlauf der Drehgeschwindigkeit (U/ min) des elektrischen Antriebs. Darin sind mit po, M0 und Uo/min der Verlauf ohne Druckkompensationssteuerung in Strichlinien dargestellt, während der Verlauf mit Kompensationssteuerung jeweils als durchgezogene Linie dargestellt ist. Bei dieser idealisierten Darstellung wird erkennbar, dass bei Betrieb ohne Kompensationssteuerung der Druck po im Hydrauliksystem und das Antriebsdrehmoment des elektrischen Antriebs jeweils um einen Mittelwert pM bzw. MM schwanken, während die Motordrehzahl konstant bei einer mittleren Drehzahl UM/min verharrt. In der Realität schwankt dieser Wert UM/min zwar tatsächlich auch um den Mittelwert UM/min, jedoch nur geringfügig, weil der Motor aufgrund der unsteten Förderung und der dadurch bedingten Volumenstrompulsation abwechselnd gegen geringfügig höhere und niedrigere Drücke im Hydrauliksystem fördert.
  • Indem nun das Antriebsdrehmoment Mo des elektrischen Antriebs entsprechend dem am Hydraulikanschluss 4 gemessenen Hydraulikdruck moduliert wird, wird eine Veränderung der Drehgeschwindigkeit po des Elektromotors erreicht, mit der Folge, dass der zeitliche Verlauf des von der Verdrängerpumpe geförderten Hydraulikfluidvolumens eine entsprechende Änderung erfährt, so dass sich letztlich auch der im Hydrauliksystem und an den Hydraulikanschlüssen 4 anliegende Hydraulikdruck p und das am Elektromotor anliegende Antriebsdrehmoment M entsprechend ändern. Die Modulation des Antriebsdrehmoments des Elektromotors bzw. der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors wird dabei so eingestellt, dass die Druckpulsation am Hydraulikanschluss 4 idealerweise vollständig ausgeglichen wird. Das heißt bei idealisierter Betrachtung, dass zu Zeiten, an denen der Druck po im System aufgrund der Druckpulsation sinkt, das Antriebsdrehmoment M bzw. die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors so moduliert wird, dass der Elektromotor mehr Volumen pro Zeiteinheit fördert, um den niedrigeren Systemdruck po auf den mittleren Druck pM zu bringen, und bei einem höheren Systemdruck po entsprechend umgekehrt.
  • Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektrohydraulischen Motor-Pumpen-Einheit. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein anderer Pulsationsparameter zur Modulation des Antriebsdrehmoments bzw. der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 2 herangezogen, nämlich anstelle des Hydraulikdrucks po im Hydrauliksystem wird das Antriebsdrehmoment Mo des Elektromotors 2 als Basis für die Modulation genutzt. Das heißt, es wird mittels einer Auswerteschaltung der elektrischen Steuereinrichtung 3 überwacht, inwieweit das Antriebsdrehmoment Mo des Elektromotors 2 aufgrund der unstetig fördernden Verdrängerpumpe 1 pulsiert, und dieser Pulsationsparameter dient in der elektrischen Ansteuereinrichtung 3 dazu, das Antriebsdrehmoment bzw. die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 2 so zu regeln, dass jegliche Antriebsdrehmomentschwankungen möglichst ausgeglichen werden. Diese technische Lösung ist konstruktiv am wenigsten aufwändig und führt in einfacher Weise zu einer Glättung der Druckpulsation im Hydrauliksystem, weil jegliche Druckpulsation im Hydrauliksystem auf das am Elektromotor 2 anliegende Drehmoment Mo zurückwirkt.
  • Figur 4 zeigt eine Motor-Pumpen-Einheit mit hydraulischer Verdrängereinheit 1, Elektromotor 2 und integriertem Hydrauliktank 7, so wie sie bevorzugt in einem Hydrauliksystem zum Einsatz kommt. Mit 8 sind die Hydraulikleitungen gekennzeichnet. Die elektrische Steuerungseinrichtung 3 ist hier nicht deutlich erkennbar sondern Teil des Elektromotors 2.
  • Bei den zuvor beschriebenen Pulsationskompensationsschaltungen ist eine entsprechend schnelle elektrische Ansteuerung des Elektromotors 1 wegen der extrem schnellen Zykluszeiten erforderlich. Dazu eignen sich vorteilhaft Schaltungen mit Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), wobei natürlich auch bei der Auswahl des Elektromotors 1 auf ein Modell mit ausreichender Dynamik zu achten ist.

Claims (15)

  1. Elektrohydraulische Motor-Pumpen-Einheit, umfassend eine unstet fördernde Verdrängerpumpe (1), die zum Fördern von Hydraulikfluid in einem Hydrauliksystem eingerichtet ist, einen mit der Verdrängerpumpe (1) gekoppelten Elektromotor (2), der zum Antreiben der Verdrängerpumpe (1) eingerichtet ist, und eine mit dem Elektromotor (2) gekoppelte elektrische Ansteuereinrichtung (3), die zum Steuern des Elektromotors eingerichtet ist, gekennzeichnet durch einen Modulator als Teil der elektrischen Ansteuereinrichtung (3), der eingerichtet ist, ein Antriebsdrehmoment (M) oder eine Drehgeschwindigkeit des Elektromotors (2) zum Antreiben der Verdrängerpumpe (1) entsprechend einer Förderfrequenz der Verdrängerpumpe (1) zu modulieren.
  2. Motor-Pumpen-Einheit nach Anspruch 1, wobei die Verdrängerpumpe (1), der Elektromotor (2) und die elektrische Ansteuereinrichtung (3) in einem gemeinsamen Gehäuseblock mit Hydraulikanschlüssen (4), die zur Kopplung der Motor-Pumpen-Einheit an ein Hydrauliksystem eingerichtet sind, untergebracht sind, wobei der Gehäuseblock vorzugsweise desweiteren einen Hydraulikfluidtank (7) für Hydraulikfluid umfasst.
  3. Motor-Pumpen-Einheit nach Anspruch 1 oder 2, umfassend einen Detektor (5), der eingerichtet ist, einen Pulsationsparameter zu erfassen, welcher von einer aufgrund unsteter Förderung von Hydraulikfluid in einem Hydrauliksystem entstehenden Pulsation herrührt, wobei der Modulator eingerichtet ist, das Antriebsdrehmoment oder eine Drehzahl des Elektromotors (2) auf Basis des erfassten Pulsationsparameters zu modulieren.
  4. Motor-Pumpen-Einheit nach Anspruch 3, die als Detektor (5) einen Drucksensor umfasst, welcher eingerichtet ist, einen Hydraulikdruck (po) als den Pulsationsparameter zu erfassen.
  5. Motor-Pumpen-Einheit nach Anspruch 3 mit Anspruch 2, die als Detektor (5) einen Drucksensor an einem der Hydraulikanschlüsse (4) umfasst, welcher eingerichtet ist, einen an dem Hydraulikanschluss (4) anliegenden Hydraulikdruck (po) als den Pulsationsparameter zu erfassen.
  6. Motor-Pumpen-Einheit nach Anspruch 3, die als Detektor eine Auswerteschaltung umfasst, welche eingerichtet ist, das Antriebsdrehmoment (M0) des Elektromotors (2) als den Pulsationsparameter zu erfassen, wobei die Auswerteschaltung vorzugsweise in der elektrischen Anstcuereinrichtung (3) implementiert ist.
  7. Motor-Pumpen-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Modulator eine Schaltung mit FPGA (Field Programmable Gate Array) umfasst.
  8. Hydrauliksystem, umfassend Hydraulikleitungen (8) und eine an die Hydraulikleitungen (8) angeschlossene Motor-Pumpen-Einheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
  9. Verfahren zum Fördern von Hydraulikfluid in einem Hydrauliksystem mittels einer elektrisch angetriebenen, unstet fördernden Verdrängerpumpe (1), gekennzeichnet durch den Schritt des Glättens einer aufgrund der unsteten Förderung entstehenden Pulsation des Hydraulikfluids im Hydrauliksystem, indem ein Antriebsdrehmoment (M) oder eine Drehgeschwindigkeit des elektrischen Antriebs (2) entsprechend einer Förderfrequenz der Verdrängerpumpe (1) moduliert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei beim Schritt des Glättens ein die Pulsation charakterisierender Pulsationsparameter erfasst und das Antriebsdrehmoment (M) oder die Drehzahl des elektrischen Antriebs (2)auf Basis des erfassten Pulsationsparameters moduliert wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Antriebsdrehmoment (M) oder die Drehzahl des elektrischen Antriebs (2) auf Basis einer im Hydraulikfluid gemessenen Druckpulsation (po) moduliert wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Antriebsdrehmoment des elektrischen Antriebs auf Basis einer am elektrischen Antrieb gemessenen Drehmomentpulsation (Mo) moduliert wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Modulieren des Antriebsdrehmoments (M) oder der Drehzahl des elektrischen Antriebs über eine Schaltung mit FPGA (Field Programmable Gate Array) erfolgt.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13 unter Verwendung einer Motor-Pumpen-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13 in einem Hydrauliksystem nach Anspruch 8.
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