JP2013535180A - ハイブリッド駆動部を作動させる方法およびハイブリッド駆動部 - Google Patents

Abstract

本発明は、ハイブリッド駆動部（３０）を作動させる方法並びにハイブリッド駆動部自体に関する。ハイブリッド駆動部（３０）は電気機械（１）を含んでいる。液圧式駆動部（２）は、二重作用液圧式ピストン（２ａ）およびピストンロッド（２ｂ）と結合される。さらに、液圧式駆動部を駆動制御する実質的に絞りを行わない弁と、電気機械を駆動制御する制御装置（１０）とを有している。殊に、無駄なエネルギー消費を回避するために、ハイブリッド駆動部によって要求されている作動方向および所望の作動力を求め、少なくともこの作動力が電気機械単独で準備されない場合に液圧式駆動部が作動方向において有効になるように弁を切り替え、液圧式駆動部によって形成される力とこの作動力との差を求め、液圧式駆動部によって形成された力に電気機械によって形成された力を加算することによって、または液圧式駆動部によって形成された力から電気機械によって形成された力を減算することによって、所望の作動力が得られるように電気機械を作動させることを提案する。

Description

本発明は、ハイブリッド駆動部を動作させる方法並びにハイブリッド駆動部自体に関する。

工作機械において、殊に射出成形機器において、可動ユニットを駆動させるハイブリッド駆動部が一般的に知られている。従って、射出成形機器の可塑化ユニットおよび噴射ユニットの駆動の際に、例えば軸方向に進むための駆動部を設けることが既知である。この駆動部は電気的な部分駆動部と液圧式の部分駆動部とから成る。これに関しては、ＤＥ４３４４３３５Ｃ２を参照されたい。この文献では１つの実施形態において、組み合わされた電気モータの駆動力が液圧によってサポートされている。

軸方向進行のために液圧式駆動と電気式駆動部とが組み合わされた同様の装置は、ＪＰ０４１８９５２５号に記載されている。

さらに、電気式駆動部の液圧によるサポートの調整方法に関しては、ＥＰ７６０２７７号を参照されたい。ここでは、液圧式ピストンの圧力印加が圧力媒体蓄積部を介して、所定調整量の到達時に行われる。この所定調整量は、電気モータの定められた負荷状態に相当する。ここでシリンダー内の圧力上昇は、電気モータの負荷受け入れに比例する。

ＤＥ１０１０４１０９Ａ１号から、射出成形機器内の軸方向に移動する機器に対する電気式駆動部の液圧によるサポートのための別の調整方法が公知である。この軸方向へ移動可能な機器には長手軸方向において電気モータの力が作用する。この電気モータの回転運動は伝動装置を介して長手方向運動に変換され、液圧式シリンダーのピストンの力になる。電気モータによって加えられるこの力は、ある値に制限される。この値では、伝動装置はまだ損傷されない。電気モータによって加えられる力の割合を制限するために、軸方向においてこの機械部分に作用する力に対する目標値と、この力の実際値とから、調整差が形成される。これは、機械部分に軸方向に作用する力成分全体を制御する。軸方向においてこの機械部分に作用する力の実際値と、伝動装置の機械的な耐力を考慮する値とから、軸方向においてピストンに作用する力に対する目標値が形成される。軸方向においてピストンに作用する力に対する目標値とその実際値とから、調整差が形成される。これは、この機械部分に、軸方向に作用する力成分のうちの１つを制御する。

ここでの欠点は、液圧式のシリンダーが通常は比例弁によって制御されるということである。比例弁は前進運動および後退運動を、自身の駆動制御に相応して定める。このような調整によって、特定の用途において、所定の速度で移動することが保証される。液圧式シリンダーが動く速度はここで、流量に対して比例する。弁が変位する強さによって、異なる大きさの体積流が形成される。しかし他方では、シリンダーの移動の遅さは、弁通過時の絞りが多いことを意味する。これは、与えられている余剰エネルギーが熱に変換され、損失してしまうという欠点を有する。

本発明の課題は、ハイブリッド駆動部によって、できるだけエネルギー効率の良い駆動を実現するということである。

上述の課題は、方法に関しては、請求項１に記載された特徴によって解決され、装置に関しては、請求項７に記載されている特徴によって解決される。

本発明のアイディアは、弁として、できるだけ小さい絞りまたは横断面狭幅部を有する、単に簡易な弁（例えば切替え弁、比例弁等）または複数の弁を組み合わせたものを使用する、ということである。従ってこの弁自体を介して、エネルギーは、出力損失または絞り損失によってできる限り失われない。

以前に行われていた弁の開ループ制御または閉ループ制御タスクはここでは電気機械によって担われる。これは直接的または間接的に、伝動装置を介して液圧シリンダーないしはピストンロッドと接続されている。この電気機械はモータまたはジェネレーターとして作用する。駆動制御に応じて駆動のため（モータ）にも、ジェネレーターとしても作動するこの電気機械によって、液圧式ピストンに、運動方向においても、運動方向とは反対の方向においても、力を加えることができる。ある場合には、電気モータによって形成された力が液圧式駆動部の力に加えられ、別の場合には、ジェネレーターが液圧式駆動部によって駆動される。従って、元来、液圧式駆動部によって供給される力のうち、僅かな力が残る。

すなわち余剰エネルギーが、これまでのように比例弁の場合に、絞り箇所で熱に変換される代わりに、本発明では、この余剰液圧エネルギーが電気エネルギーに回生される。ここでこの電気エネルギーは以降で、別の軸または部品においてまたは中間回路を介して蓄積され、再使用される。すなわちこの原理は、余剰液圧エネルギーを再生することに基づいている。この場合にはこの電気機械はジェネレーターとして用いられ、比例弁の機能の代わりになる。

当然ながら、電気機械は制動にのみ使用されるのではなく、当然ながら、上述したように、付加的な力形成のサポートにも使用される。これは、液圧式駆動部を電気機械の出力性能ぶんだけ低い性能に設計することができる、という利点を有している。

特別な実施形態では、液圧シリンダーを空運転に切換え、駆動を、電気モータとして作動する電気機械自体を介してのみ行うことができる。

液圧式シリンダーがアキュムレータによって作動される場合、このような駆動によって高い動性が得られる。機械的に結合されているジェネレーターは余剰エネルギーを電力に変換することができる。従って液圧式シリンダーが位置固定されなければいけない場合、２つの圧力チャンバの負荷が軽減される、または短く閉鎖される。この位置付け自体の間、殊に電気モータが使用される。これはサポート機能を行う。

提案したハイブリッド駆動部によって、さらなる利点も得られる。殊に、電気駆動部のそれ自体公知の利点を利用することが可能である。従って、直接的かつ最適な速度調整が実施される。これによって特に調整精度が上がる。上述したように、余剰エネルギーが再生される。これは同時に、駆動部の加熱を低減させる。さらに、提案された駆動システムは非常にコンパクトである。しかし、液圧式の利点（例えばより大きい力形成、高い動性およびより長い力保持）も得られる。

射出成形機械の場合には、射出軸、型締め、補助制御または高い動性が要求される一般的なシリンダーに対して、このような駆動部が使用される。

ここで液圧式駆動部用の駆動部として、アキュムレータもポンプ（例えば調整ポンプ）も使用可能である。場合によっては、アキュムレータとポンプの組み合わせも可能である。

次に、本発明の種々の具体的な実施形態を、添付図面を参照して説明する。

本発明によるハイブリッド駆動部の概略的なブロック回路図であり、ここでは電気機械は概略的にのみ示されている 電気機械の具体的な実施形態を備えた、図１からの詳細図 電気機械の別の構成を備えた、図１からの別の詳細図 電気機械の別の構成を備えた、図１からの別の詳細図 圧力伝達部の概略図

図１には、本発明の具体的な実施例が示されている。

ここでは参照番号３０によって、コンパクトなハイブリッド駆動部が示されている。これは絞り作用を有するシリンダーピストン２ａを備えた液圧式駆動部２と、このシリンダーピストン２ａと接続されている電気機械１と、液圧式弁（ここでは切り替え弁）３を示している。この液圧式弁は、シリンダー２ｃの２つの圧力チャンバに液圧流体を供給するように構成されている。電気機械１は制御装置１０と接続されている。この制御装置によって、電気機械１の動作が制御され、これによって電気機械１が後で詳しく述べるように制御される。さらに供給線路２０が設けられている。この供給線路によって、回生された電気エネルギーがさらなる使用に供給される。例えば中間回路２２が設けられ、この内部に、回生された電気エネルギーが、再び必要とされるまで蓄積される。この中間回路２２から電気エネルギーが、供給線路２０を介して再び電気機械１に供給される。しかし、回生された電気エネルギーが、ポンプ２４によって液圧式アキュムレータ４をチャージさせることもできる。これは以降で詳細に説明する。

液圧式駆動部２は、シリンダー２ｃを含んでいる。この内部には、絞り作用を有するシリンダーピストン２ａが往復運動するように収容されている。シリンダーピストン２ａのピストンロッド２ｂは両側で、シリンダー２ｃから突出しており、一方の側で電気機械１と直接的に接続されている。他方の側では、ピストンロッド２ｂは軸方向に移動すべき作動部材４０ないしは負荷４０と作用的に接続されている。液圧式駆動部２は、両ロッドシリンダー（Gleichlaufzylinder）または片ロッドシリンダー（Diffrentialzylinder）として構成される。さらに、簡易に作用するシリンダーピストンないしは簡易に作用する液圧式シリンダーを設けることができる。これは例えば、電気モータ１が、液圧式駆動部２と負荷４０との間に配置されている場合である。

液圧式弁３は、少なくとも２つの弁位置を伴う少なくとも１つの二方弁から成る。この内部で液圧流体が、図示されているように、２つのチャンバへ、絞り作用を有するピストン２ａの両側で圧送される。自身の入力側で液圧式弁３はアキュムレータ４と接続されており、自身の出力側で液圧流体用の容器ないしはタンク４０と接続されている。切り替え位置に応じて、液圧式弁３は液圧流体を少なくとも一方の圧力チャンバまたは別の圧力チャンバ内に圧送し、絞り作用を有するピストン２ａに特定の力を、一方の方向または別の方向において加える。

図２〜４には、さらに、電気機械１の具体的な構成ないしは電気機械１と液圧式駆動部２のピストンロッド２ｂとの機械的な接続の具体的な構成が示されている。

図２には、モータおよびジェネレーターとして使用され、その回転子が直接的に、または伝動装置を介してピニオン７と結合されている電気機械１ａが示されている。このピニオンは、ラックとして作用するピストンロッド２ｂの歯部８上で回転する。当然ながら、ピストンロッド２ｂの両側にそれぞれピニオン７が配置されていてもよい。これは、属する歯部８上で回転するないしは各歯部８に噛み合い、対称的な力供給を可能にする。ピストンロッド２ｂは自身の終端部で負荷４０と作用的に結合されている。

図３では、中空軸モータ１ｂの形態に電気機械１が配置されている。その回転子は一体的にナットを有している。このナットはスピンドル９と作用干渉する関係にある。このスピンドルは、ピストンロッド２ａの相応する部分上に配置されている。別の側ではピストンロッド２ｂは負荷４０と作用結合されている。ナットの回転運動は、スピンドル９を介して、負荷４０の軸方向運動に変換される。

図２および３においては、ピニオンとラックの組み合わせないしはナットとスピンドルの組み合わせは伝動装置を表している。これは電気モータ１の回転運動ないしは電気機械１の回転運動を負荷４０の線形運動に変換する。

図４には、別の組み合わせが示されている。ここでは伝達（例えば圧力伝達）が使用される。この場合には電気機械は直接的に（伝達無しに）、液圧式シリンダーと結合される。電気機械１として、リニアモータ１ｃが設けられている。リニアモータのコイルシステム内には、ピストンロッド２ｂの、棒磁石５が設けられている部分が、シフトするように配置されている。ピストンロッド２ｂの、棒磁石５が設けられている部分は、圧力変換器６（これは図５における実施形態に詳細に示されている）を介して、液圧式駆動部２の、二重機能を有するピストン２ａと接続されている。別の側では、ピストンロッド２ｂは負荷４０と接続されている。

ここで図１〜４の全ての実施形態は同様に作動する。

作動部材４０ないしは負荷４０が駆動されるべき場合には、電気的な弁３が相応に操作される。従って、二重作用ピストン２ａの負荷されるべき圧力チャンバに水力が加えられる。実際には、弁３自体内で絞りはぼ行われないので、アキュムレータ圧力４は、線路横断面を考慮して、相応に接続されている圧力チャンバ内に存在する。これは、液圧流体の相応する流量にも関する。この流量は、線路の横断面によって特定される。

ここで作動部材４０がより少なく（それほど迅速にではなくまたはより少ない力で）駆動されるべき場合には、電気機械１は制御装置１０によって制御されて、ジェネレーターとして動作し、同様に液圧式駆動部２を制動する。従って、結果として生じる力として、電気機械１が接続されていない場合よりも僅かな力が供給される。電気機械１を相応に開ループ制御ないしは閉ループ制御することによって、作動力が所望のように定められ、調整される。

ジェネレーターモードにおける電気機械１によって形成された電気エネルギーは、供給線路２０を介してシステム（例えばエネルギー蓄積器としての中間回路２２）内に戻されて蓄積される。択一的に、この電気エネルギーによって、ポンプ２４が再び作動されてもよい。これはアキュムレータ４をチャージする。これは図１において、電気機械１とポンプ２４のモータＭとの間の接続線２６によって示される。このようにしてエネルギー的に、効率損失を除いて、回生されたエネルギーが再び、アキュムレータ４自体内に蓄積される。当然ながら、ポンプ２４が中間回路２２に接続され、中間回路に一時蓄積されている電気エネルギーによって駆動されてもよい。この形態は、破線２８によって示されている。余剰エネルギーが弁内で「燃焼」されないことによって、全体として損失エネルギーは小さくなり、そうでない場合には燃焼されてしまうエネルギーをシステムが使用することができる。従って全体として、電気機械１およびその周辺部は、電気エネルギーを形成し、システム内に戻して蓄積するように構成されている。電気機械１は液圧式駆動部２の制動時に駆動され、得られたエネルギーは電気エネルギーに変換されて、システム内に戻して蓄積される。

さらに、この実施形態では、アキュムレータ４および液圧式駆動部２をより低い性能に設計することができる。なぜなら電気駆動部１は、電気モータとしても作動し、液圧式駆動部２とともにその駆動力を高めることができるからである。

ここでは、液圧式駆動部の利点（高い動性）も、電気駆動部の利点（高い調整精度）も利用される。しかし特に重要なのは、そうでない場合には比例弁を介して「燃焼されてしまうエネルギー」が完全に失われることはない、ということである。

以降で電気モータとも称される電気機械１と、以降で液圧式シリンダーとも称される液圧式駆動部２と、負荷４０との間の作用結合は多様に実現可能である。殊に、負荷４０は、図１〜４に示されたようにのみ配置されるのではない。むしろ、負荷４０を駆動トレイン内の別の場所に設けることもできる。
・液圧式シリンダー−電気モータ−負荷
・負荷−液圧式シリンダー−電気モータ
・液圧式シリンダー−負荷−電気モータ
・電気モータ−負荷−液圧式シリンダー
・負荷−電気モータ−液圧式シリンダー
等。

１ 電気機械、 １ａ ラックとピニオンの組み合わせを備えた電気機械、 １ｂ スピンドルとナットの組み合わせを備えた電気機械、 １ｃ リニア駆動部を備えた電気機械、 ２ 二重機能を有する液圧式シリンダーを備えた液圧式駆動部、 ２ａ ピストン、 ２ｂ ピストンロッド、 ２ｃ シリンダー、 ３ 弁、 ４ 液圧式アキュムレータ、 ５ 永久磁石を備えたロッド、 ６ 圧力伝達部、 ７ ピニオン、 ８ 歯部、 ９ スピンドル、 １０ 制御装置、 ２０ 供給線路（再生エネルギーを供給および搬送するため）、 ２２ 中間回路、 ２４ ポンプ、 ２６ 電気モータ１とポンプ２４との間の接続線路、 ２８ 中間回路２２とポンプ２４との間の接続線路、 ３０ ハイブリッド駆動部、 ４０ 負荷ないしは駆動されるべき部材、 ４２ タンク

Claims (12)

1. ハイブリッド駆動部（３０）を作動させる方法であって、
   当該ハイブリッド駆動部（３０）は電気機械（１）と液圧式駆動部（２）とを含んでおり、当該液圧式駆動部（２）は、液圧式ピストン（２ａ）とピストンロッド（２ｂ）とを有しており、当該ピストンロッド（２ｂ）は前記電気機械（１）と結合されており、ここで前記液圧式駆動部（２）を駆動制御するための弁または組み合わせ弁（３）が設けられており、さらに、前記電気機械（１）を駆動制御するための制御装置（１０）が設けられており、
   当該方法は、
   ・前記ハイブリッド駆動部（３０）によって要求されている作動方向および要求されている作動力を求めるステップと、
   ・前記液圧式駆動部（２）が、当該求められた作動方向で働くように、前記弁または組み合わせ弁（３）の位置を切り替えるステップと、
   ・前記液圧式駆動部（２）によって形成された力と前記要求された作動力との差を求めるステップと、
   ・前記液圧式駆動部（２）によって形成された力に前記電気機械（１）によって形成された力を加えることによって、または前記液圧式駆動部（２）によって形成された力から前記電気機械（１）によって形成された力を減じることによって、前記要求された作動力が得られるように前記電気機械（１）を作動させるステップとを有しており、
   ここで前記液圧式駆動部（２）の制動時に前記電気機械（１）を駆動制御し、前記電気機械（１）をジェネレーターモードで作動させて、回生電気エネルギーを形成し、当該回生電気エネルギーを再使用する、
   ことを特徴とする、ハイブリッド駆動部（３０）を作動させる方法。
2. 前記回生電気エネルギーを中間回路（２２）内に蓄積して、再使用する、請求項１記載の方法。
3. 前記回生電気エネルギーによって、液圧式アキュムレータ（４）にチャージするポンプ（２４）を作動させる、請求項１または２記載の方法。
4. 前記電気機械（１）を付加的な力形成に使用して、当該力形成時に前記液圧式駆動部（２）をサポートする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 実質的に絞りを行わない弁（３）または実質的に絞りを行わない組み合わせ弁を使用する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 射出成形機械において前記ハイブリッド駆動部（３０）を、作動部材（４０）の駆動部として用い、殊に射出軸の駆動部としてまたは型締めに対する駆動部として用いる、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. ハイブリッド駆動部（３０）であって、
   ・電気機械（１）と、
   ・液圧式ピストン（２ａ）とピストンロッド（２ｂ）を備えた液圧式駆動部（２）とを有しており、ここで当該ピストンロッド（２ｂ）は前記電気機械（１）と結合されており、
   ・前記液圧式駆動部（２）を駆動制御するための弁または組み合わせ弁（３）と、
   ・前記電気機械（１）を駆動制御するための制御装置（１０）とを有しており、
   当該制御装置（１０）は次のことのために構成されている、すなわち、
   前記電気機械（１）によって液圧式駆動部（２）と同様に作用する力が形成され、ここでは前記電気機械（１）がモータとして用いられる、または、
   前記電気機械（１）によって液圧式駆動部（２）に対抗する力が形成され、ここでは前記電気機械（１）がジェネレーターとして用いられる、または、
   前記電気機械（１）の作用と前記液圧式駆動部（２）の作用を組み合わせることによって所定値の作動力が得られるように前記電気機械（１）を無力に切り替え、ここではジェネレーターである前記電気機械（１）によって回生電気エネルギーが形成可能であり、当該回生電気エネルギーが再使用可能である、
   ことを特徴とする、ハイブリッド駆動部。
8. 前記弁または組み合わせ弁（３）は、実質的に絞らないように構成されている、請求項１記載のハイブリッド駆動部。
9. 前記液圧式駆動部（２）は両ロッドシリンダーとしてまたは片ロッドシリンダーとして構成されている、請求項７または８記載のハイブリッド駆動部。
10. 前記回生電気エネルギーを蓄積する中間回路（２２）が設けられている、請求項７から９までのいずれか１項記載のハイブリッド駆動部。
11. 液圧式アキュムレータ（４）が設けられており、当該液圧式アキュムレータは、前記液圧式駆動部（２）と作用的に接続されており、当該液圧式アキュムレータをチャージするポンプ（２４）が設けられており、当該ポンプ（２４）は前記回生電気エネルギーによって駆動可能である、請求項７から１０までのいずれか１項記載のハイブリッド駆動部。
12. 前記ハイブリッド駆動部（３０）には、圧力伝達部（６）が設けられている、請求項７から１１までのいずれか１項記載のハイブリッド駆動部。

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