PL213898B1 - Pompa wyporowa ze zintegrowanym napędem elektrycznym - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest pompa wyporowa ze zintegrowanym napędem elektrycznym. Napędy hydrauliczne są stosowane wszędzie tam gdzie potrzebne jest uzyskanie większych sił przy stosunkowo niskim ciężarze urządzeń. Mają one najwyższe, ze wszystkich znanych rodzajów napędów, upakowanie mocy w jednostce objętości. Są stosowane w maszynach, budowlanych, roboczych, pojazdach itp.

Pompa łopatkowa, to pompa wyporowa, której elementem roboczym jest wirnik z ruchomymi, przesuwnymi łopatkami. Pompa łopatkowa należy do grupy maszyn wyporowych, w których elementami wypierającymi ciecz są łopatki płaskie umieszczone w promieniowych przecięciach wirnika. Natomiast komory robocze zamykają się między dwoma sąsiednimi łopatkami a powierzchniami wirnika i korpusu pompy. Większe zastosowanie znajduje drugi rodzaj pomp łopatkowych - pompy podwójnego działania. Budową różnią się od pompy jednostronnego działania, ponieważ mają inne usytuowanie komór zasysania i tłoczenia. Posiadają one po dwie nerki ssawne i tłoczne. Różny jest również kształt bieżni. W pompie jednostronnego działania stosowana jest bieżnia o przekroju kołowym, natomiast w pompach dwustronnego działania najczęściej jest to owal. W pompach tych podczas jednego obrotu wirnika dwukrotnie występują cykle ssania i tłoczenia, więc ich wydajność jest dwukrotnie większa niż pomp pojedynczego działania przy takich samych gabarytach, zaletą tych pomp jest symetryczność układu co daje małe obciążenie łożysk i związane z tym wyższe ciśnienie maksymalne oraz większą trwałość i sprawność całkowitą, ale nastawa wydajności w pompach tego typu nie jest możliwa.

Zasada działania pomp wielotłoczkowych promieniowych jest podobna. W pompach wielotłoczkowych promieniowych cylindry z tłoczkami są umieszczone promieniowo w obracającym się wirniku. Tłoczki przesuwają się po bieżni wykonanej w pierścieniu ukształtowanej w ten sposób, że w czasie obrotu wirnika występują dla każdego tłoczka cykle ssania i tłoczenia. Rozdzielenie tłoczków podczas cykli ssania i tłoczenia odbywa się przy pomocy tarcz rozdzielczych.

W napędach hydraulicznych rozróżnia się układy sterowania i regulacji dławieniowej oraz objętościowej. W pierwszym przypadku układy zasilane są pompami wyporowymi o stałej wydajności, które współpracują z zaworami sterującymi natężeniem przepływu a w drugim pompami o nastawnej wydajności. Do sterowania natężeniem przepływu w układach napędowych a więc do sterowania prędkością silnika lub siłownika hydraulicznego stosuje się układy regulacji z wykorzystaniem zaworów proporcjonalnych i serwozaworów. Zawory te współpracują z elektronicznymi sterownikami na bazie mikroprocesorów z wykorzystaniem techniki cyfrowej. Układy tego typu posiadają również wady, między innymi problemy ze stabilnością przy dużych obciążeniach oraz wrażliwość na zanieczyszczenia cieczy roboczej.

Połączenie pompy wyporowej z silnikiem w rozwiązaniach konwencjonalnych odbywa się najczęściej za pośrednictwem konsoli mocującej, w której znajduje się sprzęgło elastyczne. Jest to rozwiązanie dotychczas najczęściej spotykane w konstrukcjach zasilaczy hydraulicznych. Pewne uproszczenie stanowi połączenie pompy bezpośrednio z silnikiem elektrycznym bez konsoli mocującej i sprzęgła. W tym rozwiązaniu wałek pompy jest bezpośrednio połączony z wałkiem silnika elektrycznego.

Pompa wyporowa z oprzyrządowaniem do napędu hydraulicznego znana jest z polskiego zgłoszenia patentowego nr PL381396. Pompa składa się z korpusu zbudowanego z dwóch części półkul łączonych śrubowo. Tłok w postaci płaskiego krążka, osadzony w linii podziału, współpracuje z płaską półkolistą zastawką umieszczoną suwliwie na łożyskach w szczelinie zabieraka, zamocowanego na wale napędowym. Uchylny bloczek, ułożyskowany z tłokiem, zakończony jest drążkiem sterującym. Z komór roboczych wyprowadzone są króćce, ssący i tłoczny. Zespół pompa - silnik obudowany jest układem otwartym cieczy roboczej, posiadający wybrania w korpusie, przewody cieczy i zbiornik na ciecz, otwarty na ciśnienie atmosferyczne.

Znany jest z polskiego zgłoszenia patentowego nr PL371545, silnik napędowy, zwłaszcza dla pompy, zawierający rotor z wałem napędowym i stojan, otoczony korpusem, który z kolei jest otoczony obudową zewnętrzną. Korpus stojana i obudowa zewnętrzna tworzą przestrzeń pośrednią, która jest hermetycznie zamknięta i napełniona cieczą chłodzącą. Ciecz chłodząca jest poruszana w sposób wymuszony za pomocą wirnika czynnika chłodzącego. W tym celu wirnik czynnika chłodzącego jest sprzężony z wałem napędowym elektrycznego silnika napędowego za pomocą sprzęgła z magnesów trwałych, które może mieć postać sprzęgła synchronicznego, sprzęgła histerezowego lub sprzęgła działającego na zasadzie prądów wirowych.

PL 213 898 B1

Napęd pompy wyporowej znany jest z polskiego zgłoszenia patentowego nr PL298071. W napędzie tłok pompy posiada sztywne tłoczysko sprzężone z obrotowym bębnem. Tłoczysko ma promieniowo wystający wodzik w postaci poprzecznego sworznia z ułożyskowaną toczną rolką. Wodzik ten jest zagłębiony w śrubowym rowku bez końca, utworzonym na zewnętrznej, walcowej powierzchni bębna lub na wewnętrznej, walcowej powierzchni bębna.

Pompa według wynalazku jest pompą wyporową ze zintegrowanym napędem elektrycznym, przy czym wirnik pompy wyporowej i stojan silnika elektrycznego są nieruchomymi elementami kadłuba, natomiast obudowa pompy wyporowej połączona jest z wirnikiem silnika elektrycznego. Pompa wyporowa wbudowana jest w wirnik silnika elektrycznego, przy czym silnik elektryczny podłączony jest do układu sterowania napędem elektrycznym.

Korzystnie, pompa wyporowa jest pompą wyporową, a jej elementy wyporowe dociskane są do bieżni, sprężynami.

Korzystnym jest, gdy pompa wyporowa wbudowana jest w wirnik silnika elektrycznego z magnesami trwałymi.

Korzystnie, układ sterowania napędem elektrycznym na wejściu ma prostownik połączony poprzez filtr napięcia stałego i falownik z silnikiem elektrycznym zintegrowanym z pompą, który poprzez enkoder i mikroprocesorowy układ sterowania połączony jest z falownikiem.

Korzystnym jest również, gdy falownikiem jest przekształtnik energoelektroniczny DC/AC, natomiast prostownikiem jest przekształtnik energoelektroniczny AC/DC.

Pompy ze zintegrowanym napędem elektrycznym stanowią odrębną jednostkę napędową dla układów hydraulicznych. Dzięki budowie modułowej na wejściu znajdują się kable elektryczne doprowadzające prąd, a na wyjściu przewód doprowadzający ciecz roboczą do układu hydraulicznego oraz przewód zasilający pompę w ciecz. Na zewnątrz takiej jednostki pompa nie będzie widoczna. Silniki z magnesami trwałymi są stosowane w wysoko wydajnych napędach o szerokim zakresie regulowanej prędkości obrotowej, charakteryzują się najwyższą sprawnością energetyczną spośród wszystkich silników elektrycznych, najwyższymi osiągalnymi obecnie współczynnikami momentu znamionowego i maksymalnego do masy lub objętości silnika, wysokim współczynnikiem przeciążalności momentem obrotowym oraz umożliwiają osiągnięcie wysokiej dynamiki i precyzji regulacji napędu, tj. szybką odpowiedzią napędu na zmianę nastaw parametrów regulacyjnych. Pompa wyporowa ze zintegrowanym napędem jest przeznaczona do stosowania w lotnictwie, przemyśle samochodowym, robotyce, medycynie oraz wszędzie tam gdzie znajdują się napędy hydrauliczne dla zmiany położenia lub kąta obrotu. Możliwość sterowania wydajnością pomp bezpośrednio poprzez sterowanie prędkością obrotową silnika elektrycznego stanowi istotne uproszczenie dla układów sterowania hydraulicznego, kosztów wykonania oraz podwyższenie ich niezawodności i sprawności. Ze względu na zmniejszenie ilości elementów występujących w napędzie hydraulicznym poprzez zastosowanie budowy modułowej bez mechanicznych elementów przekazywania napędu, nowa pompa ma wyższą niezawodność i charakteryzuje się niskim poziomem emitowanego hałasu.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia pompę wyporową ze zintegrowanym napędem elektrycznym, a fig. 2 - schemat blokowy układu sterowania napędem elektrycznym o prędkości regulowanej.

P r z y k ł a d 1

Pompa wyporowa ze zintegrowanym napędem elektrycznym wyposażona jest w wirnik pompy wyporowej WP osadzony w obudowie pompy wyporowej WP, przy czym wirnik pompy wyporowej WP i stojan silnika elektrycznego ST są nieruchomymi elementami kadłuba, natomiast obudowa pompy wyporowej PL połączona jest z wirnikiem silnika elektrycznego WS. Obudowa pompy wyporowej WP umocowana jest do pokrywy mocującej PM, a z drugiej strony zamknięta pokrywą PD, natomiast pomiędzy stojanem silnika elektrycznego ST i obudową pompy wyporowej WP usytuowana jest tarcza rozdzielcza TR. Pompa wyporowa PL ma rozmieszczone naprzemiennie wzdłuż obwodu obudowy kanały wlotowe WL i wylotowe WY. Ponadto pompa wyporowa PL wbudowana jest w wirnik silnika elektrycznego WS, który podłączony jest do układu sterowania napędem elektrycznym. Układ sterowania napędem elektrycznym na wejściu ma prostownik PR połączony poprzez filtr napięcia stałego FI i falownik FA z silnikiem elektrycznym zintegrowanym z pompą PS, który poprzez enkoder EN i mikroprocesorowy układ sterowania MI połączony jest z falownikiem FA. Ponadto mikroprocesorowy układ sterowania MI z zaimplementowanym i zoptymalizowanym dla danego napędu algorytmem sterowania AS reguluje i steruje pracą całego układu napędowego.

PL 213 898 B1

P r z y k ł a d 2

Pompa wyporowa ze zintegrowanym napędem elektrycznym wykonana jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że pompa wyporowa PL jest pompą łopatkową, a ze względu na brak siły odśrodkowej, łopatki dociskane są do bieżni, sprężynami. Pompa wyporowa PL wbudowana jest w wirnik silnika elektrycznego WS z magnesami trwałymi o regulowanej prędkości obrotowej. Ponadto układ sterowania napędem elektrycznym w miejsce falownika FA ma włączony przekształtnik energoelektroniczny DC/AC, natomiast w miejsce prostownika PR ma włączony przekształtnik energoelektroniczny AC/DC.

P r z y k ł a d 3

Pompa wyporowa ze zintegrowanym napędem elektrycznym wykonana jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że pompa wyporowa PL jest pompą wielotłoczkową promieniową PP (Fig. 3).

Pompa wyporowa ze zintegrowanym napędem elektrycznym opisana na przykładzie pompy łopatkowej podwójnego działania, nadaje się do zastosowania z innymi pompami wyporowymi. W konwencjonalnych rozwiązaniach napędów hydraulicznych natężeniem przepływu cieczy roboczej steruje się przy pomocy zaworów proporcjonalnych oraz serwozaworów, natomiast zastosowanie nowej pompy wyporowej, która jest integralną częścią silnika elektrycznego pozwala na sterowanie jej wydajności oraz natężeniem przepływu w układzie hydraulicznym, przez zmianę prędkości obrotowej silnika elektrycznego. Pompa wyporowa ze zintegrowanym napędem elektrycznym pozwala utworzyć nową generację napędów hydraulicznych.

Claims (6)

1. Pompa wyporowa ze zintegrowanym napędem elektrycznym wyposażona z wirnik z obudową, znamienna tym, że wirnik pompy wyporowej (WP) i stojan silnika elektrycznego (ST) są nieruchomymi elementami kadłuba, natomiast obudowa pompy wyporowej (PL) połączona jest z wirnikiem silnika elektrycznego (WS), przy czym pompa wyporowa (PL, PP) wbudowana jest w wirnik silnika elektrycznego (WS), przy czym silnik elektryczny (SE) podłączony jest do układu sterowania napędem elektrycznym.

2. Pompa według zastrz. 1, znamienna tym, że pompa wyporowa (PL, PP) jest pompą wyporową, a jej elementy wyporowe dociskane są do bieżni, sprężynami.

3. Pompa według zastrz. 1, znamienna tym, że pompa wyporowa (PL, PP) wbudowana jest w wirnik silnika elektrycznego (WS) z magnesami trwałymi.

4. Pompa według zastrz. 1, znamienna tym, że układ sterowania napędem elektrycznym na wejściu ma prostownik (PR) połączony poprzez filtr napięcia stałego (FI) i falownik (FA) z silnikiem elektrycznym zintegrowanym z pompą (PS), który poprzez enkoder (EN) i mikroprocesorowy układ sterowania (MI) połączony jest z falownikiem (FA).

5. Pompa według zastrz. 4, znamienna tym, że falownikiem (FA) jest przekształtnik energoelektroniczny DC/AC.

6. Pompa według zastrz. 4, znamienna tym, że prostownikiem (PR) jest przekształtnik energoelektroniczny AC/DC.