JP2012500370A - 流体力学的負荷に圧力を供給するための圧力供給装置、および、圧力供給方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、流体力学的負荷（２）に圧力を供給するための圧力供給装置に関する。当該圧力供給装置（１）は、作動液を供給するためのタンク（４）を有する。前記タンク（４）から流体圧ポンプ（３）に前記作動液が供給され、該流体圧ポンプ（５）は吐出口（５）で圧力（ｐ_０）を出力する。前記流体圧ポンプを駆動制御するために電動機（６）が設けられており、該流体圧ポンプ（３）から出力された圧力（ｐ_０）を指示するために圧力測定センサ（９）が設けられている。周波数変換器が前記圧力測定センサ（９）によって指示された信号を受信するように設けられており、該周波数変換器（９）は、前記流体圧ポンプ（３）によって出力される圧力（ｐ_０）を前記電動機（６）の回転数の制御によって制御するように構成されている。前記周波数変換器（８）はベクトル制御によって前記電動機（６）をセンサレスで制御する。

Description

本発明は、流体力学的負荷に圧力を供給するための圧力供給装置と、流体力学的負荷に圧力を供給するための圧力供給方法とに関する。

たとえば噴射シリンダや閉弁シリンダ、スクリュモータ等の流体力学的負荷には、所定の圧力を有する作動流体を供給しなければならない。特に、このような負荷が短時間で大量の流体力学的手段を必要とする場合、供給される圧力の制御は相応に迅速に応答しなければならない。ＤＥ１９９５８２５６Ｂ４では、蓄圧器内の瞬時圧力と目標圧力とを比較し、該比較に相応して、駆動モータの回転数を変化することにより、蓄圧装置を制御する。しかし、この従来技術で公知の装置では、圧力の制御は緩慢なままであり、比較的大きな蓄圧器を設けなければならない。

それゆえ本発明の課題は、より迅速な制御を実現できる、流体力学的負荷へ供給される圧力の供給装置を提供することである。また本発明の課題は、相応の圧力供給方法を提供することである。前記課題は、独立請求項の構成によって解決される。従属請求項に有利な実施形態が記載されている。

本発明では、流体力学的負荷に圧力を供給するための次のような圧力供給装置、すなわち、作動液を供給するためのタンクと、該タンクから作動液が供給される流体圧ポンプとを有する圧力供給装置を提供する。この流体圧ポンプは、吐出口で圧力を供給するように構成されている。

前記流体圧ポンプを駆動制御するために電動機が設けられており、該流体圧ポンプから出力された圧力を指示するために圧力測定センサが設けられている。周波数変換器が、前記圧力測定センサによって指示された信号を受け取り、前記流体圧によって供給された圧力を前記電動機の回転数の制御によって制御するように構成されている。この周波数変換器は、ベクトル制御によって前記電動機をセンサレス制御するように構成されている。センサレスという表現は、電動機の回転数を測定する装置が無いという意味である。

電動機の制御をセンサレスで行うことにより、通常は非同期モータであるモータの軸にセンサを設ける必要がない。このことにより、電動機にかかる手間が低減するだけでなく、周波数変換器での制御も簡略化される。周波数変換器としては、ベクトル制御を行う簡単な構成を使用することができる。というのも、センサを使用して制御を行う周波数変換器は、通常は面倒であり、高コストになるからである。さらにセンサレスベクトル制御は、目標値が変化したときの応答時間が短いことと、負荷が変化したときの補償時間が短いことを特徴とする。このことにより、制御のダイナミクスがより高くなり、所要圧力量をより迅速に負荷へ供給することができる。

１つの実施形態では、前記電動機は非同期モータとして構成されている。その理由は、特に非同期モータがセンサレス制御に適しているからである。

電動機を冷却するために外部ファンが設けられている場合、非同期モータの負荷挙動を変化させる専用のファンを設ける必要はない。

１つの実施形態ではさらに、流体圧ポンプによって供給された圧力を蓄圧するための蓄圧器が設けられる。これによって、迅速な制御を要求することにもなる大量の流体圧手段を、短時間で供給することができる。

流体圧ポンプの吐出口とタンクの入口との間に設けられた絞り弁により、回転数が低い場合には最小量に設定することにより、低回転数を回避することができる。

周波数変換器内のＰＩＤ制御器により、幅広い回転数領域にわたって圧力を安定的に制御することができる。

１つの実施形態では、流体圧ポンプの吐出口と流体圧フィルタとの間にフィルタが設けられ、これによって、前記絞り弁の詰まりを回避することができる。

別の実施形態では、前記流体学的負荷の出力側と前記タンクの入口側との間に冷却器が設けられる。これによって、還流する作動液を冷却することができる。

有利には、前記流体圧ポンプは回転数ｎ＞２の回転数領域で動作する。その理由は、このような比較的高い回転数領域においてベクトル制御のモータモデルが実際に即して実行されるからである。

前記流体圧ポンプとしては、定量ポンプを使用するのが有利である。定量ポンプは、押しのけ容量が一定であることを特徴とし、吐出流量は基本的に、押しのけ容量と回転数との乗算によって求められる。したがって、吐出量を変化させるためには回転数を変化させる。

本発明はまた、次のステップを有する圧力供給方法にも関する。まず、本発明の圧力供給装置を設け、これによって、流体圧ポンプによって供給された圧力の瞬時値と目標値とを比較する。電動機の回転数をセンサレスで、ベクトル制御によって駆動制御する。

回転数が一定である制御に対し、上述のダイナミクス特性の改善とともに、別の利点も得られる。定回転数制御では、ポンプは電動機の公称周波数で回転し、圧力を上昇させるためには押しのけ容積を上昇させる。吐出すべき液体量が少量のみである場合にも、ポンプおよび非同期モータは公称回転数で動作しなければならない。この回転運動のためのエネルギーは、電気エネルギーによってシステムに供給しなければならない。したがって、上述の方法では電流消費量が低減する。というのも、流体圧ポンプによって吐出すべき液体が少量である場合には、回転数が減少するからである。さらに、電動機によって発生するノイズも低減する。その理由は、ポンプは永続的に公称周波数で動作するわけではなく、所望の圧力を供給するのに必要である場合にのみノイズが発生するからである。このようにして、流体圧回路の制御ノイズは、必要性に応じたノイズまで低減する。上述のような改善された制御により、液体媒体に流入する熱が低減する。というのも、ポンプを僅かな漏れ流量で使用できるからである。

まとめて言うと、本発明の圧力供給装置により、低コストの構成要素から可変回転数のポンプ駆動装置が構成されると言うことができる。

以下で、本発明の実施例を添付図面に即して詳細に説明する。

圧力を生成するための本発明の装置を備えた流体力学的システムを示す。 流体力学的システムの第２の実施例を示す。 圧力を生成するための本発明の装置を備えた流体学的システムの第３の実施例を示す。

図１は、流体力学的負荷２を含む流体圧システムを示す。この流体圧システムは、電気的負荷２に対して圧力を生成するための圧力生成装置１を含む。この圧力生成装置は、タンク４、流体圧ポンプ３、絞り弁１５、逆止弁１２、圧力センサ９、および、制御装置１１を有する。前記制御装置１１は、周波数変換器８と、電動機６と、外部ファン１０とを有する。外部ファン１０は、電動機６を冷却するために設けられている。

タンク４は、定量ポンプとして容量式に構成された流体圧ポンプ３に供給するための作動液を含んでいる。この作動液は、たとえば作動油である。流体圧ポンプ３の吐出口５で吐出される作動油により、該流体圧ポンプ３の吐出口５に圧力ｐ_０が出力され、該圧力ｐ_０は、流体力学的負荷２を作動させるために使用される。流体圧ポンプ３の吐出口５と、符号Ｐによって示された流体力学的負荷２の接続部との間に逆止弁１２が設けられている。前記逆止弁は、作動液が流体力学的負荷２から流体圧ポンプ３へ逆流するのが阻止されるように配置される。このようにして、前記逆止弁１２は流体圧ポンプ３を、流体力学的負荷２によって発生したシステム圧から保護する。

前記圧力ｐ_０は圧力測定変換器９によって受け取られ、該圧力測定変換器９は、特性が該圧力ｐ_０に依存する電気信号Ｉを出力する。この電気信号Ｉは周波数変換器８の第１の入力端に入力され、該周波数変換器８は第２の入力端において、前記圧力の目標値を表す電気信号Ｓを受信する。前記周波数変換器８の出力端において正弦波形の電気信号Ｕ，Ｖ，Ｗが出力され、該電気信号Ｕ，Ｖ，Ｗは非同期モータのステータ巻線に印加される。電気信号Ｕ，Ｖ，Ｗの位相は相互に１２０°ずれているので、これら電気信号は多相電流を成す。前記電気信号Ｕ，Ｖ，Ｗの電圧量、電流量および周波数が、非同期モータ６の回転数を決定する。

流体圧ポンプ３は、有利には内接ギアポンプまたは外接ギアポンプとして構成されている。非同期モータ６によって発生した回転運動により流体圧ポンプ３のギアが回転し、該流体圧ポンプ３の吐出口５に圧力ｐ_０が生成される。

この圧力を制御するための調整量は非同期モータ６の回転数であり、この回転数から、流体圧ポンプ３のギア回転数が決定され、さらに該流体圧ポンプ３の吐出流量も決定される。流体圧ポンプ３と電動機６と周波数変換器８とから成るこのアセンブリは、可変回転数のポンプ駆動装置のユニットを構成する。

周波数変換器８は非同期モータ６を駆動制御するだけである。前記周波数変換器８は制御手法としてＶ／Ｆ制御を使用せず、その代わりに、センサレス電流ベクトル制御またはセンサレス電圧ベクトル制御を使用する。この制御回路は圧力センサ９によって閉じられている。

センサレスベクトル制御では、測定対象のモータ回転数を制御回路にフィードバックするセンサ、たとえばモータ軸に取り付けられるインクリメンタルセンサ等を使用しない。その代わりに、周波数変換器においてモータ回転数を数学的モータモデルに基づいて計算する。周波数変換器８は、複素抵抗の等価回路に相当する非同期機のモデルのマップを有している。２Ｈｚ未満の回転数の場合のモデルのマップを数学的に計算するのは面倒であり、所与の計算パフォーマンスでは、場合によってはマップが不正確になってしまう。それゆえ、このマップは通常、周波数変換器８において２Ｈｚ以上でのみ実装される。シミュレーションが４Ｈｚ以上で実装される実施形態もある。

可変絞り弁１５を介して、流体圧ポンプ３から吐出された作動油の一部がタンク４へ還流する。このことにより、ポンプが最低回転数で動作することが保証される。というのも流体圧ポンプ３は、絞り弁１５を通って流出する液体量を追加で吐出しなければならないからである。具体的な例では、最低回転数ｎはｎ＞２Ｈｚに設定される。このことにより、流体圧ポンプ３は今までにないほど良好に定常状態になる。絞り弁１５はたとえば、ノズルまたは切替弁として構成することもできる。本発明の装置を、異なる大きさの圧力で使用できるようにするため、絞り弁１５を可変または切り換え可能に構成することができる。しかし、たとえば、ｐ_０＝２００バールの高圧力を発生させた場合、ポンプから流体媒体に高い熱入力が発生することがある。液体量の一部が排出されることにより、液体の温度が過度に高くならないようにされる。しかし、不必要に大量の液体が絞り弁１５を流れないように留意しなければならない。というのも、大量の液体が絞り弁１５を流れると、流体圧ポンプ３および非同期モータ６が消費するエネルギーが不必要に高くなってしまう。

周波数変換器８には、瞬時信号Ｉおよび目標信号Ｓに基づいて圧力Ｐ_０を制御するＰＩ制御器またはＰＩＤ制御器が組み込まれている。瞬時信号と目標信号とが偏差する場合、周波数変換器８の出力信号を変化させる。この出力信号８の変化は、周波数変換器に格納されたモータ回転数値に基づいて行われる。

ベクトル制御部が組み込まれた周波数変換器８としては、たとえば、ボッシュレックスロス社の製品名「IndraDrive Fc」で販売されている周波数変換器を使用することができる。センサレスベクトル制御は、目標値と瞬時値との差に対して迅速に応答できるという利点を有する。

図２に、流体圧システム１の別の実施例を示す。この実施例では、流体力学的負荷２に対して圧力ｐ_０が本発明にしたがって生成される。図１に示したのと同じ機能を有する要素には同一の符号を付しており、このような要素に関しては特に説明しない。

図１との相違点として、圧力生成装置１はさらに、フィルタ２０および冷却器２１を有する。フィルタ２０は流体圧ポンプ３の吐出口５に後置接続されており、絞り弁１５、逆止弁１２または圧力測定センサ９へ流れる作動液は、まずこのフィルタ２０を通過する。前記圧力測定センサ９は圧力測定変換器９とも称される。このフィルタ２０によって絞り弁１５の詰まりが阻止され、該絞り弁１５を流れる作動液量であるいわゆるバイパス量が保証される。

冷却器２１はこのバイパス量を冷却するために、タンク４への還流路に対して設けられる。

図３に、流体力学的負荷２に対して圧力を生成するための圧力生成装置１の別の実施例を示す。圧力生成装置１は、図２に示した構成要素の他に、絞り逆止弁１６および蓄圧器１７を有する。流体力学的負荷２が短時間で大量の作動液を必要とする場合、この作動液は蓄圧器１７によって短時間の間、該蓄圧器１７にバイアスされた量によって供給される。このようにして、この蓄圧器がシステムのダイナミクス要件をカバーし、システムのダイナミクスは向上する。すなわち、消費量の大きな変化を迅速に補償することができる。

絞り逆止弁１６は蓄圧器１７と流体力学的負荷２の入力側との間に設けられている。蓄圧器１７から流体力学的負荷２の接続部Ｐへの方向の体積流は自由であり、逆方向の体積流は絞られる。蓄圧器１７にかかる負荷は、迅速にシステム内に放出することができる。しかし絞りによって、蓄圧器１７にかかる負荷を決定することができ、蓄圧器１７のダイアフラムないしは気泡が逆方向に圧力制御に及ぼす作用が阻止される。このようにして、蓄圧器１７内の振動要素の妨害作用の大部分が線形化ないしは消去される。

絞り逆止弁１６の代わりに、ノズル孔を有する逆止弁を使用することもできる。

図中に示していない別の択一的な実施形態では、蓄圧器は流体力学的負荷２の入力側Ｐに直接設けられる。

Claims (13)

1. 流体力学的負荷（２）に圧力（ｐ_０）を供給するための圧力供給装置（１）であって、
   ・作動液を供給するためのタンク（４）と、
   ・前記タンク（４）から前記作動液を供給されて吐出口（５）で圧力（ｐ_０）を出力する流体圧ポンプ（３）と、
   ・前記流体圧ポンプ（３）を駆動制御するための電動機（６）と、
   ・前記流体圧ポンプ（３）から出力された圧力（ｐ_０）を指示するための圧力測定センサ（９）と、
   ・前記圧力測定センサ（９）によって指示された信号を受信する周波数変換器（８）と
   を有し、
   前記周波数変換器（８）は、前記流体圧ポンプ（３）によって出力された圧力（ｐ_０）を前記電動機（６）の回転数の制御によって制御し、該電動機（６）をベクトル制御によってセンサレス制御するように構成されている
   ことを特徴とする、圧力供給装置。
2. 前記電動機（６）は非同期モータとして構成されている、請求項１記載の圧力供給装置。
3. 当該圧力供給装置は、前記電動機（６）を冷却するための外部ファン（１０）を有する、請求項１または２記載の圧力供給装置。
4. 前記流体圧ポンプ（３）によって出力された圧力（ｐ_０）を蓄圧するための蓄圧器（１７）が設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載の圧力供給装置。
5. 前記流体圧ポンプ（６）の吐出口（５）と前記タンク（４）の流入口との間に絞り弁（１５）が設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の圧力供給装置。
6. 前記周波数変換器（８）はＰＩＤ制御器を含む、請求項１から５までのいずれか１項記載の圧力供給装置。
7. 前記流体圧ポンプ（３）の吐出口（５）と前記流体力学的負荷（２）との間にフィルタ（２０）が設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の圧力供給装置。
8. 前記流体力学的負荷（２）の出力側と前記タンク（４）の流入口との間に冷却器（２１）が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の圧力供給装置。
9. 前記流体圧ポンプ（３）は定量ポンプとして構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の圧力供給装置。
10. 前記流体圧ポンプ（３）は内接ギアポンプである、請求項９記載の圧力供給装置。
11. 前記流体圧ポンプは、回転数が２Ｈｚより高い回転数領域において動作する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の圧力供給装置。
12. 圧力供給方法であって、
    ・請求項１から１１までのいずれか１項記載の圧力供給装置を準備するステップと、
    ・前記流体圧ポンプ（３）から出力された圧力（ｐ_０）の瞬時値（Ｉ）と目標値（Ｓ）とを比較するステップと、
    ・前記電動機（６）の回転数をベクトル制御によってセンサレス制御するステップと
    を有することを特徴とする、圧力供給方法。
13. 前記周波数変換器（８）に記憶された前記電動機（６）のモデルを使用して、前記電動機（６）の回転数をセンサレス制御するステップを実施する、請求項１２記載の圧力供給方法。

Images