WO2021058673A1 - Fluidgetriebener antrieb - Google Patents

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WO2021058673A1
WO2021058673A1 PCT/EP2020/076772 EP2020076772W WO2021058673A1 WO 2021058673 A1 WO2021058673 A1 WO 2021058673A1 EP 2020076772 W EP2020076772 W EP 2020076772W WO 2021058673 A1 WO2021058673 A1 WO 2021058673A1
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fluid
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magnetic
force
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PCT/EP2020/076772
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Inventor
Olivier Reinertz
Katharina Schmitz
Original Assignee
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (Rwth) Aachen
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Publication date
Application filed by Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (Rwth) Aachen filed Critical Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (Rwth) Aachen
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/20—Other details, e.g. assembly with regulating devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/08—Characterised by the construction of the motor unit
    • F15B15/14—Characterised by the construction of the motor unit of the straight-cylinder type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/20—Other details, e.g. assembly with regulating devices
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/20—Other details, e.g. assembly with regulating devices
    • F15B2015/206—Combined actuation, e.g. electric and fluid actuated

Definitions

  • the invention relates to a fluid-driven drive.
  • the provision of compressed air is very energy-intensive due to the thermodynamic processes in the compressor.
  • the compressed air consumption per stroke movement of a pneumatic drive is approximately determined by the product of pressure and volume at the end of the stroke (end position).
  • the servo-pneumatic drives which are not considered further below, are an exception, the compressed air consumption of which corresponds at least to the value mentioned above, but is usually greater due to control losses.
  • the efficiency of pneumatic drives is particularly poor when a small force is required over large areas of the stroke, but a large amount of force is required at the end of the stroke. In this case, the drive does little work, but uses a large amount of compressed air.
  • pneumatic automation technology in particular, it can be seen that the dimensioning of the pneumatic components is difficult. This is due in particular to the fact that standard sizes are used and the boundary conditions, such as fluctuations in a pneumatic supply system, resistance forces and process forces, cannot be precisely determined in advance. For this reason, pneumatic components have tended to be far oversized in previous systems in order to be able to ensure safe operation even under difficult conditions.
  • the air consumption in such pneumatic systems is approximately proportional to the number of work cycles, the size of the pressurized volumes, and the density of the compressed air.
  • An exception are, for example, compressed air diaphragm pumps or selected path-controlled cylinders in automation systems, whose switching valve switches over directly when the end position is reached without the drive chamber being filled until the supply pressure is reached.
  • a blind rivet nut setting tool is known from DE 10 2010 022 022 B4, the tension bolt of which can be controlled via an integrated pneumatic-hydraulic pressure booster.
  • the pressure regulation used can be designed adaptively and enables a space-saving design. However, this arrangement is not energy efficient either.
  • a pneumatic actuator with a membrane system is known from US 2003/0167917 A1.
  • the system is mechanically complex and not energy efficient.
  • Pneumatically linear actuators with a regulation mechanism based on a pretensioned spring are known from US 2014/0141909 A1. Although this allows an improvement, it is comparatively complex and not energy-efficient.
  • German utility model DE 8603 346 Ul a working cylinder with an electric piston end position transmitter is known.
  • the working cylinder has permanent magnet rings that hold the piston in the stroke end positions.
  • An electrohydraulic actuation unit is known from the German patent application DE 10 2010 036155 A1.
  • the electrohydraulic actuation unit has a holding magnet that can hold the piston in the end position.
  • one task of the invention is to provide an improvement with regard to energy efficiency.
  • the solution should be simple, inexpensive and stable over the long term.
  • FIG. 1 shows a first arrangement of embodiments of elements according to the invention
  • FIG. 2 shows a second arrangement of embodiments of elements according to the invention
  • FIG. 3 shows a third embodiment of elements according to the invention
  • FIG. 4 shows a fourth embodiment of elements according to the invention
  • FIG. 5 shows a fifth embodiment of elements according to the invention.
  • Figures with numerical values are generally not to be understood as exact values, but also include a tolerance of +/- 1% up to +/- 10%.
  • References to standards or specifications or norms are meant to refer to Standards or specifications or norms that apply at the time of registration and / or - if a priority is claimed - at the time of priority registration. However, this is not to be understood as a general exclusion of applicability to the following or replacing standards or specifications or norms.
  • a side view is shown in each of the figures. Unless otherwise noted, all descriptions below always relate to all embodiments.
  • a density of the fluid in the standard state of 1.183 kg / m3, a specific gas constant of the fluid of 288 J / (kg * k), an isentropic coefficient of 1.4 and a heat capacity of 1008 J / (kg * K) a regulation of the pressure from 6 bar to 5.5 bar lead to a mass flow reduction of 8.33%.
  • the change in the specific exergy of the compressed air due to the pressure reduction is 8.69 kJ / m3, corresponding to a loss exergy at 100 l / min of 14.5 watts. If, on the other hand, the pressure is regulated from 6 bar to 3 bar, this leads to a mass flow reduction of 50%.
  • the change in specific exergy in this case is 69.19 kJ / m3, corresponding to a loss exergy at 100 l / min of 115.3 watts at the pressure reducer.
  • the aim must therefore be to keep the working volume as small as necessary and to avoid the losses due to pressure reduction as best as possible.
  • the invention solves this by allowing smaller cylinders to be used without adjusting the operating pressure. In order to still be able to apply the necessary forces at a suitable point, a stable element E is used.
  • the invention therefore proposes - as shown in FIGS. 1-5 - to provide a fluid-driven drive 1.
  • the fluid-driven drive 1 has a movable effective surface K and at least one volume-variable cavity Z.
  • the fluid-driven drive 1 also has a first magnetic element Ml and a second magnetic element M2.
  • the first magnetic element Ml and the second magnetic element M2 change their relative position to one another when the active surface K of the fluid-driven drive moves.
  • the first magnetic element Ml and the second magnetic element M2 attract or repel one another, depending on whether the magnetic field direction of the two magnetic elements Ml, M2 is oriented in the same or in opposite directions. That is, in general, the first magnetic element Ml and the second magnetic element M2 exert a magnetic force on one another depending on their relative position.
  • the drive can be moved to a first point LP by means of a feed force caused by fluid pressure (initially at least in a section A1, e.g. with less expenditure of force or without significant influence from the system according to the invention).
  • the drive 1 can then be moved into the section A1 with (increased) expenditure of force. That is, in section A2 (increased) effort is required at the beginning, since the two magnetic elements Ml, M2 continue to attract each other.
  • one of the two magnetic elements M1, M2 or both can be located within the cavity Z. This is shown in FIGS. 1 to 5.
  • the first magnetic element Ml and / or the second magnetic element M2 can have a permanent magnet.
  • the first magnetic element in Figure 1 could be a permanent magnet.
  • the first magnetic element Ml and / or the second magnetic element M2 have a ferromagnetic material.
  • the second magnetic element M2 has a ferromagnetic material
  • the first magnetic element Ml has a permanent magnetic material.
  • a pot-like magnetic structure is shown as the first permanent magnetic element Ml in FIG.
  • a magnetic structure similar to this is shown as the first permanent magnetic element M1.
  • a first ferromagnetic element Ml and a second permanent magnetic element M2 are shown.
  • the first magnetic element Ml and / or the second magnetic element M2 has an electrical coil.
  • a coil can be in permanent operation, or it can be put into operation when required. Although this has the disadvantage of requiring electrical energy for operation, magnetic forces can be made available if required without the weight increasing noticeably. In addition, coils allow the adjustment of the magnetic effect.
  • the force effect can be switched on and off in a targeted manner.
  • the force interaction between the magnetic elements Ml and M2 is extended over a large range of relative positions in comparison to the corresponding shaping of the first magnetic element Ml and / or the second magnetic element M2 Embodiment of FIG. 1.
  • the force interaction between the magnetic elements Ml and M2 is kept approximately constant over a large range of relative positions by appropriate shaping of the first magnetic element Ml and / or the second magnetic element M2.
  • FIG. 3-5 a non-linear, rather conical outer shape is shown in FIG. 3-5 which, as a result, leads to an almost linear force effect over a large area of the section A2.
  • the magnetic element Ml could be displaceable relative to the rear wall of the cavity. This could shift the area of the magnetic effect (A2). The same would be possible if the magnetic element M2 could be displaceable relative to the movable effective surface K. That is, the maximum degree of overlap of the first magnetic element Ml relative to the second magnetic element M2 in the case of immersion (area A2) can be adjustable.
  • the force effect itself can be influenced by adding a coil. That is, the magnetic strength of the first magnetic element Ml and / or of the second magnetic element M2 can be adjustable.
  • a fluid-driven drive 1 is shown in FIGS. 1 and 3-5, in which an optional deformable stop AS at the end of the movement path, ie at the end of section A2 is provided.
  • the deformable stop AS can be implemented as a thrust washer, for example.
  • Such a deformable stop AS can also prevent the magnetic elements Ml and M2 from sticking to one another.
  • the deformable stop AS is preferably not ferromagnetic, for example made of an elastic plastic.
  • the drive 1 has an electrically conductive short-circuit ring KS, in which an eddy current is generated by the applied magnetic field and its movement-related change, the force of which counteracts the movement, as shown in FIG.
  • this short-circuit ring KS can act as an eddy current brake, depending on the direction of movement. That means, depending on the direction of movement, a current flow in the short-circuit coil (short-circuit ring) KS is enabled (diode in forward direction) or prevented (diode in reverse direction).
  • the short-circuit ring KS generates a damping force in the system due to the eddy currents that arise and can, for example, prevent the end position from hitting too quickly.
  • a short-circuit ring for electrodynamic damping can be integrated into any arrangement shown.
  • the efficiency can be increased by 20%, 30% and more under realistic conditions with simple mechanics.
  • the mechanism according to the invention can also lead to a reduction in the installation space required.
  • the stable mechanism is especially suitable for pneumatic actuators and leads to a reduction of the required pressure in the end position or in a stroke area that borders on the end position with a constant effective area of the drive.
  • Energy is saved by using the mechanics, so that the invention is an energy-efficient system.
  • Further advantages installation space can be saved by reducing the effective area, the stable mechanics are robust and comparatively inexpensive and can be designed adaptively depending on the force required.
  • the integration of a stable element E for example in the form of a magnet system, etc., allows the required force to be reduced by being applied by the stable element.
  • the compressed air intake is thus significantly reduced with the same force in the end position or another point defined by the user (with adjustable mechanics).
  • the mechanics can be optimized for operation during the design.
  • the mechanics can also be designed to be adaptive.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen fluidgetriebenen Antrieb (1) mit einer beweglichen Wirkfläche (K) und mindestens einer volumenveränderlichen Kavität (Z), weiterhin aufweisend ein erstes magnetisches Element (M1) und ein zweites magnetisches Element (M2), wobei das erste magnetische Element (M1) und das zweite magnetische Element (M2) bei einer Bewegung der Wirkfläche (K) des fluidgetriebenen Antriebes ihre Relativposition ändern und je nach relativer Position eine magnetische Kraft aufeinander ausüben, wobei bei einer Bewegung der Wirkfläche (K) in eine erste Bewegungsrichtung der Antrieb zunächst bis zu einem ersten Punkt (LP) unter Wirkung einer durch Fluiddruck hervorgerufene Vorschubkraft bewegt werden kann, wobei in der ersten Bewegungsrichtung zusätzlich zu der Kraft, welche durch Fluiddruck bereitgestellt ist, auch eine magnetische Kraft ausgeübt durch das erste magnetische Element (M1) und das zweite magnetische Element (M2) in Richtung der ersten Bewegungsrichtung zur Verfügung steht, wobei bei einer nachfolgenden Bewegung der Wirkfläche (K) in eine zweite Bewegungsrichtung, die entgegengesetzt zur ersten Bewegungsrichtung ist, der Antrieb unter Kraftaufwand in dem Abschnitt (A2) bewegt werden kann. wobei durch Formgebung des ersten magnetischen Elements (M1) und/oder des zweiten magnetischen Elements (M2) die Kraftwechselwirkung zwischen den magnetischen Elementen M1 und M2 über einen großen Bereich von Relativpositionen ausgedehnt wird.

Description

Fluidgetriebener Antrieb
Die Erfindung betrifft einen fluidgetriebenen Antrieb.
Hintergrund
Es ist bekannt, dass in vielen fluidtechnischen Systemen die bereitstellbare Kraft, welche durch Zylinder oder Membranen ausgeübt wird, nur in einem kleinen Bereich des Verfahrweges des Antriebs, z.B. der Endlage, benötigt wird. Die maximale Kraft, die während des Hubes aufzubringen ist, ist dabei für die Auslegung eine bestimmende Größe.
Solch eine Situation ist z.B. bei der Auslegung eines pneumatischen Aktors für Klemmprozesse, Einpressen, Verdichtung in pneumatischen Druckverstärkern, Druckluftmembranpumpen, etc. maßgebend.
Die Bereitstellung von Druckluft ist aufgrund der thermodynamischen Vorgänge im Verdichter sehr energieaufwändig. Der Druckluftverbrauch pro Hubbewegung eines pneumatischen Antriebs ist näherungsweise durch das Produkt aus Druck und Volumen am Hubende (Endlage) bestimmt. Eine Ausnahme bilden die im Folgenden nicht weiter betrachteten servo-pneumatischen Antriebe, deren Druckluftaufnahme mindestens dem vorher genannten Wert entspricht, aufgrund von Regelverlusten i.d.R. jedoch größer ist.
Folglich ist der Wirkungsgrad pneumatischer Antriebe insbesondere dann schlecht, wenn eine geringe Kraft über weite Bereiche des Hubs notwendig ist, aber am Hubende ein großer Kraftbedarf besteht. In diesem Fall wird durch den Antrieb wenig Arbeit verrichtet, aber eine große Druckluftmenge verbraucht.
Insbesondere in der pneumatischen Automatisierungstechnik ist festzustellen, dass die Dimensionierung der pneumatischen Komponenten schwierig ist. Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass Standardgrößen verwendet werden und die Randbedingungen, wie z.B. Fluktuationen in einem pneumatischen Versorgungssystem, Widerstandskräfte und Prozesskräfte nicht exakt vorherbestimmbar sind. Daher werden in bisherigen Systemen pneumatische Komponenten eher weit überdimensioniert, um einen sicheren Betrieb auch unter schwierigen Bedingungen sicherstellen zu können.
Gemäß dem Stand der Technik wird während der Inbetriebnahme versucht, durch Minderung des Versorgungsdrucks von Maschinen oder einzelnen Baugruppen den Druckluftverbrauch zu senken, indem der Betriebsdruck auf den notwendigen Druck reduziert wird. Aufgrund des großen Komponentenaufwands erfolgt dies jedoch selten antriebsspezifisch und ist überdies i.d.R. nicht adaptiv, sodass der Versorgungsdruck nicht der Last nachgeführt wird und ausschließlich die fehlerhafte Dimensionierung der Aktoren aus energetischer Sicht zumindest teilweise kompensiert wird.
Die Bereitstellung solcher Aktoren mit einer lastadaptiven Druckabschneidung in der Endlage zur Effizienzsteigerung erfordert zusätzliche, aufwändige Maßnahmen. Dieser Aufwand ist häufig unverhältnismäßig hoch, sodass er insbesondere in der Automatisierungstechnik zumeist unterbleibt. Aufgrund der heute verbreiteten einfachen Schaltungstechnik entspricht der Druck in der Endlage somit i.d.R. dem eventuell durch einen Druckminderer reduzierten Versorgungsdruck. Der Pneumatikantrieb ist daher derart ausgelegt, dass er über den gesamten Vor- und Rückhub die jeweils maximale Kraft aufbringen kann. Unabhängig von der tatsächlich geleisteten Arbeit ist sein Druckluftverbrauch entsprechend hoch.
Ohne Berücksichtigung von Leckageverlusten ist in solchen pneumatischen Systemen der Luftverbrauch näherungsweise proportional zur Anzahl der Arbeitszyklen, der Größe der unter Druck stehenden Volumina, und der Dichte der Druckluft.
Eine Ausnahme bilden beispielsweise Druckluftmembranpumpen oder ausgewählte weggesteuerte Zylinder in Automatisierungsanlagen, deren Umschaltventil bei Erreichen der Endlage direkt umschaltet ohne dass die Antriebskammer bis zum Erreichen des Versorgungsdrucks befüllt wird.
Jedoch bleibt auch mit dieser Maßnahme der erforderliche Druck in der Endlage des Antriebs bei gegebenem Antriebsvolumen die für die Druckluftaufnahme maßgebliche Größe, während analog zum Einsatz von Druckminderventilen durch die einhergehende Druckreduktion in den Ventilen große Mengen von Kompressionsenergie unnötigerweise dissipiert werden.
Aus der DE 10 2010 022 022 B4 ist ein Blindnietmuttern-Setzgerät bekannt, dessen Zugbolzen über einen integrierten pneumatisch-hydraulischen Druckverstärker ansteuerbar ist. Die eingesetzte Druckregulation ist adaptiv gestaltbar und ermöglicht eine platzsparende Bauweise. Allerdings ist auch diese Anordnung nicht energieeffizient.
Aus der US 2008/0258654 Al ist ein kombinierter pneumatischer und elektrischer Aktuator bekannt. Dieser erlaubt zwar eine Verbesserung, ist aber vergleichsweise aufwändig und nicht energieeffizient.
Aus der US 2003 / 0 167917 Al ist ein pneumatischer Aktuator mit einem Membransystem bekannt. Allerdings ist das System mechanisch aufwändig und nicht energieeffizient. Aus der US 2014 / 0141909 Al sind pneumatisch lineare Aktoren mit einem Regulationsmechanismus basierend auf einer vorgespannten Feder bekannt. Dieser erlaubt zwar eine Verbesserung, ist aber vergleichsweise aufwändig und nicht energieeffizient. Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 8603 346 Ul ist ein Arbeitszylinder mit einem elektrischen Kolbenendstellungsgeber bekannt. Der Arbeitszylinder weist Permanentmagnetringe auf, die den Kolben in den Hubendlagen halten.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2010 036155 Al ist eine elektrohydraulische Betätigungseinheit bekannt. Die elektrohydraulische Betätigungseinheit weist einen Haltemagneten auf, der den Kolben in der Endlage halten kann.
Aufgabe Ausgehend hiervon ist eine Aufgabe der Erfindung eine Verbesserung in Bezug auf die Energieeffizienz bereitzustellen. Dabei soll die Lösung einfach, kostengünstig und langzeitstabil ausgestaltet sein.
Kurzdarstellung der Erfindung Die Aufgabe wird gelöst durch einen fluidgetriebenen Antrieb gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Figuren und der Beschreibung.
Kurzdarstellung der Figuren
Nachfolgend wird die Erfindung näher unter Bezug auf die Figuren erläutert. In diesen zeigt:
Fig. 1 eine erste Anordnung von Ausführungsformen von Elementen gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine zweite Anordnung von Ausführungsformen von Elementen gemäß der Erfindung, Fig. 3 eine dritte Ausführungsform von Elementen gemäß der Erfindung,
Fig. 4 eine vierte Ausführungsform von Elementen gemäß der Erfindung, und Fig. 5 eine fünfte Ausführungsform von Elementen gemäß der Erfindung.
Ausführliche Darstellung der Erfindung
Nachfolgend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschrieben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt. Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter "ein", "eine" und "eines" nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.
Soweit nachfolgend Verfahren beschrieben werden, sind die einzelnen Schritte eines Verfahrens in beliebiger Reihenfolge anordbar und/oder kombinierbar, soweit sich durch den Zusammenhang nicht explizit etwas Abweichendes ergibt. Weiterhin sind die Verfahren - soweit nicht ausdrücklich anderweitig gekennzeichnet - untereinander kombinierbar.
Angaben mit Zahlenwerten sind in aller Regel nicht als exakte Werte zu verstehen, sondern beinhalten auch eine Toleranz von +/- 1% bis zu +/- 10 %. Bezugnahme auf Standards oder Spezifikationen oder Normen sind als Bezugnahme auf Standards bzw. Spezifikationen bzw. Normen, die zum Zeitpunkt der Anmeldung und/oder - soweit eine Priorität beansprucht wird - zum Zeitpunkt der Prioritätsanmeldung gelten /galten zu verstehen. Hiermit ist jedoch kein genereller Ausschluss der Anwendbarkeit auf nachfolgende oder ersetzende Standards oder Spezifikationen oder Normen zu verstehen. ln den Figuren ist jeweils eine Seitenansicht dargestellt. Soweit nicht anders vermerkt beziehen sich nachfolgend alle Beschreibungen immer auf alle Ausführungsformen.
Es hat sich gezeigt, dass eine Druckreduzierung und/oder die Verwendung von Druckminderen bereits zu einer deutlichen Verbesserung führen können.
Beispielsweise kann bei einer Umgebungstemperatur von 293 K, einer Dichte des Fluids im Normzustand von 1,183 kg/m3, einer spezifischen Gaskonstante des Fluids von 288 J/(kg*k), einem isentropischen Koeffizienten von 1,4 und einer Wärmekapazität von 1008 J/(kg*K) eine Regulierung des Druckes von 6 bar auf 5,5 bar zu einer Massenflussreduktion von 8,33 % führen. Die Änderung der spezifischen Exergie der Druckluft durch die Druckminderung beträgt 8,69 kJ/m3, entsprechend einer Verlustexergie bei 100 l/min von 14,5 Watt. Wird der Druck hingegen von 6 bar auf 3 bar reguliert, so führt dies zu einer Massenflussreduktion von 50 %. Die Änderung der spezifischen Exergie beträgt in diesem Fall 69,19 kJ/m3, entsprechend einer Verlustexergie bei 100 l/min von 115,3 Watt am Druckminderer.
Daher muss es Ziel sein, das Arbeitsvolumen so klein wie nötig zu halten und die Verluste durch Druckminderung bestmöglich zu vermeiden.
Die Erfindung löst dies indem sie es erlaubt ohne Anpassung des Betriebsdrucks kleinere Zylinder zu verwenden. Um dennoch die nötigen Kräfte an geeigneter Stelle aufbringen zu können, wird ein stabiles Element E eingesetzt. Die Erfindung schlägt daher vor - wie in den Figuren 1 - 5 gezeigt - einen fluidgetriebenen Antrieb 1 bereitzustellen. Der fluidgetriebene Antrieb 1 weist eine bewegliche Wirkfläche K und mindestens eine volumenveränderliche Kavität Z auf.
Der fluidgetriebene Antrieb 1 weist weiterhin ein erstes magnetisches Element Ml und ein zweites magnetisches Element M2 auf. Das erste magnetische Element Ml und das zweite magnetische Element M2 ändern bei einer Bewegung der Wirkfläche K des fluidgetriebenen Antriebes ihre Relativposition zueinander. Je nach relativer Position zueinander ziehen sich das erste magnetische Element Ml und das zweite magnetische Element M2 an oder aber stoßen sich voneinander ab, je nachdem, ob die magnetische Feldrichtung der beiden magnetischen Elementen Ml, M2 gleich oder gegengerichtet orientiert ist. D.h., ganz allgemein üben das erste magnetische Element Ml und das zweite magnetische Element M2 abhängig von ihrer Relativlage eine magnetische Kraft aufeinander aus.
Bei einer Bewegung der Wirkfläche K in eine erste Bewegungsrichtung kann der Antrieb (zunächst zumindest in einem Abschnitt Al z.B. unter einem geringeren Kraftaufwand bzw. ohne nennenswerte Beeinflussung durch das erfinderische System) bis zu einem ersten Punkt LP mittels einer durch Fluiddruck hervorgerufenen Vorschubkraft bewegt werden.
In der ersten Bewegungsrichtung (die magnetischen Elemente bewegen sich aufeinander zu) wird zusätzlich zu der Kraft, welche durch Fluiddruck bereitgestellt ist, auch eine magnetische Kraft durch das erste magnetische Element Ml (in seiner Wechselwirkung mit dem zweiten magnetischen Element M2) in Richtung der ersten Bewegungsrichtung ausgeübt. Diese wirkt sich jedoch erst dann merklich aus, wenn die zwei magnetischen Elemente Ml, M2 sich einander annähern, d.h. im Abschnitt A2. D.h. es wird ein geringer Kraftaufwand benötigt, da die Magneten sich anziehend unterstützen.
Bei einer nachfolgenden Bewegung der Wirkfläche K in eine zweite Bewegungsrichtung, die entgegengesetzt zur ersten Bewegungsrichtung ist, kann der Antrieb 1 dann unter (erhöhtem) Kraftaufwand in den Abschnitt Al bewegt werden. D.h. im Abschnitt A2 wird zu Anfang ein (erhöhter) Kraftaufwand benötigt, da die zwei magnetischen Elemente Ml, M2 sich weiter einander anziehen. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann eines der beiden magnetischen Elemente Ml, M2 oder auch beide sich innerhalb der Kavität Z befinden. Dies ist in den Figuren 1 bis 5 dargestellt. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit können das erste magnetische Element Ml und /oder das zweite magnetische Element M2 einen Permanentmagnet aufweisen. Beispielsweise könnte das erste magnetische Element in Figur 1 ein Permanentmagnet sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung weisen das erstes magnetische Element Ml und / oder das zweite magnetische Element M2 ein ferromagnetisches Material auf. Beispielsweise kann in der Ausführungsform der Figur 1 vorgesehen sein, dass das zweite magnetische Element M2 ein ferromagnetisches Material aufweist, während das erste magnetische Element Ml ein permanentmagnetisches Material aufweist. Beispielsweise ist in Figur 1 eine topfartige Magnetstruktur als erstes permanentmagnetisches Element Ml gezeigt. In Figur 2 ist eine hierzu ähnliche Magnetstruktur als erstes permanentmagnetisches Element Ml gezeigt. In Figur 5 wiederum ist ein erstes ferromagnetisches Element Ml und ein zweites permanentmagnetisches Element M2 gezeigt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das erstes magnetische Element Ml und / oder das zweite magnetische Element M2 eine elektrische Spule auf. Eine solche Spule kann dauerhaft in Betrieb sein, oder aber bei Bedarf in Betrieb gesetzt werden. Die hat zwar den Nachteil, elektrische Energie für den Betrieb zu benötigen, jedoch können damit magnetische Kräfte bei Bedarf zur Verfügung gestellt werden, ohne dass hierfür das Gewicht merklich ansteigt. Zudem erlauben Spulen die Einstellung der magnetischen Wirkung.
Flierdurch kann bei geeigneter Beschaltung die Kraftwirkung gezielt ein- und ausgeschaltet werden. Zudem wäre es prinzipiell möglich -abhängig von der gegenwärtigen Position - auch die Stärke eines Magnetfeldes der Spule einzustellen. In Ausführungsformen, die z.B. in den Figuren 2-5 dargestellt sind, wird durch entsprechende Formgebung des ersten magnetischen Elements Ml und/oder des zweiten magnetischen Elements M2 die Kraftwechselwirkung zwischen den magnetischen Elementen Ml und M2 über einen großen Bereich von Relativpositionen ausgedehnt im Vergleich zur Ausführungsform der Figur 1.
In Ausführungsformen, die z.B. in den Figuren 2-5 dargestellt sind, wird durch entsprechende Formgebung des ersten magnetischen Elements Ml und/oder des zweiten magnetischen Elements M2 die Kraftwechselwirkung zwischen den magnetischen Elementen Ml und M2 über einen großen Bereich von Relativpositionen näherungsweise konstant gehalten.
Beispielsweise ist in Figur 3-5 eine nicht-lineare eher konische Außenform gezeigt, die im Ergebnis zu einer nahezu linearen Kraftwirkung über einen großen Bereich des Abschnittes A2 führt.
In Figur 2 ist eine Ausführung als kennlinienbeeinflusster Magnet gezeigt, welche vergleichbar zu elektromagnetisch betriebenen Proportionalmagneten ist.
Durch Lageänderung, Bestromung einer Spule, etc. ist es möglich die Kraftwirkung zu beeinflussen. Beispielsweise könnte das magnetische Element Ml relativ zur Rückwand der Kavität verschiebbar sein. Hierdurch könnte der Bereich der magnetischen Wirkung (A2) verschoben werden. Gleiches wäre möglich, könnte das magnetische Element M2 relativ zur beweglichen Wirkfläche K verschiebbar sein. D.h. der maximale Grad der Überdeckung des ersten magnetischen Elements Ml relativ zum zweiten magnetischen Element M2 im Falle des Eintauchens (Bereich A2) kann einstellbar sein.
Alternativ oder zusätzlich kann durch Flinzufügen einer Spule die Kraftwirkung selbst beeinflusst werden. D.h. die magnetische Stärke des ersten magnetischen Elements Ml und/oder des zweiten magnetischen Elements M2 kann einstellbar sein.
In der Figur 1 und 3-5 ist jeweils ein fluidgetriebener Antrieb 1 gezeigt, bei dem am Ende des Bewegungsweges, d.h. am Ende des Abschnittes A2, ein optionaler deformierbarer Anschlag AS vorgesehen ist. Mit diesem kann ein Anschlägen verhindert werden, sodass der Antrieb leiser wird. Der deformierbare Anschlag AS kann beispielsweise als eine Anlaufscheibe realisiert sein. Ein solcher deformierbarer Anschlag AS kann auch ein Anhaften der magnetischen Elemente Ml und M2 aneinander verhindern. Der deformierbare Anschlag AS ist bevorzugt nicht ferromagnetisch, z.B. aus einem elastischen Kunststoff gefertigt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Antrieb 1 einen elektrisch leitfähigen Kurzschlussring KS auf, in dem durch das aufgeprägte Magnetfeld und dessen bewegungsbedingte Änderung ein Wirbelstrom entsteht, dessen Kraftwirkung der Bewegung entgegenwirkt, wie in Figur 4 gezeigt. Dieser Kurzschlussring KS kann bei einer Beschaltung mit einer Diode abhängig von der Bewegungsrichtung als Wirbelstrombremse wirken. D.h. abhängig von der Bewegungsrichtung wird ein Stromfluss in der Kurzschluss-Spule (Kurzschlussring) KS ermöglicht (Diode in Durchlass-Richtung) oder verhindert (Diode in Sperrrichtung). Der Kurzschlussring KS erzeugt durch die entstehenden Wirbelströme eine Dämpfungskraft im System und kann z.B. ein zu schnelles Aufschlagen in der Endlage verhindern. Prinzipiell lässt sich solch ein Kurzschlussring zur elektrodynamischen Dämpfung in jede gezeigte Anordnung integrieren.
Insbesondere bei Spannaufgaben, die eine große Kraft lediglich in einem relativ kleinen Hubbereich erfordern, kann der Wirkungsgrad unter realistischen Bedingungen mit einer einfachen Mechanik bereits um 20 %, 30 % und mehr gesteigert werden.
Deutliche Wirkungsgradsteigerungen können ebenfalls bei pneumatisch betriebenen Druckverstärkern und Membranpumpen erzielt werden.
Die erfindungsgemäße Mechanik kann zudem zu einer Reduktion des erforderlichen Bauraums führen. a) Die stabile Mechanik ist speziell für pneumatische Aktoren geeignet und führt bei konstanter Wirkfläche des Antriebs zur Reduktion des erforderlichen Druckes in der Endlage bzw. in einem Hubbereich, der an die Endlage grenzt. b) Durch Nutzung der Mechanik wird Energie eingespart, sodass es sich bei der Erfindung um ein energieeffizientes System handelt. c) Weitere Vorteile: Es kann Bauraum eingespart werden durch eine Reduktion der Wirkfläche, die stabile Mechanik ist robust und vergleichsweise kostengünstig und lässt sich je nach Kraftbedarf adaptiv gestalten. Die Integration eines stabilen Elementes E, beispielsweise in Form eines Magnetsystems, etc., erlaubt die Senkung der erforderlichen Kraft, indem diese durch das stabile Element aufgebracht wird.
Somit wird die Druckluftaufnahme signifikant reduziert bei gleicher Kraft in der Endlage oder einem anderen vom Nutzer definierten Punkt (bei einstellbarer Mechanik).
Bei bekanntem Zyklus (z.B.: in Membranpumpen oder Druckverstärkern) lässt sich die Mechanik während der Auslegung auf den Betrieb optimieren.
Bei variablem Kraftbedarf in der Endlage (z.B. bei Druckluftmembranpumpen mit schwankendem Förderdruck pFörder) lässt sich darüber hinaus die Mechanik adaptiv gestalten.
Mittels der Erfindung lässt sich eine Energieeinsparung bei gleichzeitig reduziertem Bauraum realisieren.

Claims

Ansprüche
1. Fluidgetriebener Antrieb (1) mit einer beweglichen Wirkfläche (K) und mindestens einer volumenveränderlichen Kavität (Z), weiterhin aufweisend ein erstes magnetisches Element (Ml) und ein zweites magnetisches Element (M2), wobei das erste magnetische Element (Ml) und das zweite magnetische Element (M2) bei einer Bewegung der Wirkfläche K des fluidgetriebenen Antriebes ihre Relativposition ändern und je nach relativer Position eine magnetische Kraft aufeinander ausüben , wobei bei einer Bewegung der Wirkfläche (K) in eine erste Bewegungsrichtung der Antrieb zunächst bis zu einem ersten Punkt (LP) unter Wirkung einer durch Fluiddruck hervorgerufenen Vorschubkraft bewegt werden kann, wobei in der ersten Bewegungsrichtung zusätzlich zu der Kraft, welche durch Fluiddruck bereitgestellt ist, auch eine magnetische Kraft ausgeübt durch das erste magnetische Element (Ml) und das zweite magnetische Element (M2) in Richtung der ersten Bewegungsrichtung zur Verfügung steht, wobei bei einer nachfolgenden Bewegung der Wirkfläche (K) in eine zweite Bewegungsrichtung, die entgegengesetzt zur ersten Bewegungsrichtung ist, der Antrieb unter Kraftaufwand in dem Abschnitt (A2) bewegt werden kann, wobei durch Formgebung des ersten magnetischen Elements (Ml) und/oder des zweiten magnetischen Elements (M2) die Kraftwechselwirkung zwischen den magnetischen Elementen Ml und M2 über einen großen Bereich von Relativpositionen ausgedehnt wird.
2. Fluidgetriebener Antrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste magnetische Element (Ml) und /oder das zweite magnetische Element (M2) innerhalb der Kavität (Z) befindlich ist.
3. Fluidgetriebener Antrieb gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste magnetische Element (Ml) und / oder das zweite magnetische Element (M2) einen Permanentmagnet aufweist.
4. Fluidgetriebener Antrieb gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erstes magnetische Element (Ml) und / oder das zweite magnetische Element (M2) ein ferromagnetisches Material aufweist.
5. Fluidgetriebener Antrieb, gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erstes magnetische Element (Ml) und / oder das zweite magnetische Element (M2) eine elektrische Spule aufweist.
6. Fluidgetriebener Antrieb, gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch entsprechende Formgebung des ersten magnetischen Elements (Ml) und/oder des zweiten magnetischen Elements (M2) die Kraftwechselwirkung zwischen den magnetischen Elementen Ml und M2 über einen großen Bereich von Relativpositionen näherungsweise konstant ist.
7. Fluidgetriebener Antrieb, gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste magnetische Element (Ml) und/oder das zweite magnetische Element (M2) in Bezug auf ihre Kraftwechselwirkung einstellbar sind.
8. Fluidgetriebener Antrieb, gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Grad der Überdeckung des ersten magnetischen Elements (Ml) relativ zum zweiten magnetischen Element (M2) einstellbar ist.
9. Fluidgetriebener Antrieb, gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass magnetische Stärke des ersten magnetischen Elements (Ml) und/oder des zweiten magnetischen Elements (M2) einstellbar ist.
10. Fluidgetriebener Antrieb, gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb am Ende des zweiten Abschnittes (A2) einen deformierbaren Anschlag aufweist.
11. Fluidgetriebener Antrieb, gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb einen elektrisch leitfähigen Kurzschlussring aufweist, in dem durch das aufgeprägte Magnetfeld und dessen bewegungsbedingte Änderung ein Wirbelstrom entsteht, dessen Kraftwirkung der Bewegung entgegenwirkt.
12. Fluidgetriebener Antrieb gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlussring eine Diode aufweist, sodass die der Bewegung entgegen gerichtete Kraftwirkung nur in einer Bewegungsrichtung auftritt.
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