WO2025196001A1 - Hubkolbenpumpe sowie ein verfahren zur steuerung der hubkolbenpumpe - Google Patents

Hubkolbenpumpe sowie ein verfahren zur steuerung der hubkolbenpumpe

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WO2025196001A1
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reciprocating piston
coil
piston pump
toroidal
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Wolfgang Schweiger
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Magna Powertrain GmbH and Co KG
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    • F04B49/06—Control using electricity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B5/02—Machines or pumps with differential-surface pistons with double-acting pistons
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    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/10—Valves; Arrangement of valves

Definitions

  • the invention also includes a method for controlling a reciprocating piston pump.
  • Electric traction drives typically use oil pumps driven by brushless direct current (BLDC) motors. These pumps deliver a flow rate that can be adjusted as needed via the speed control of the BLDC motor, regardless of the vehicle speed.
  • Rotating positive displacement pumps also known as gerotor pumps, are the preferred pump type.
  • the pump consists of a gear set with an inner and an outer rotor, as well as a generally two- or three-part pump housing. This simple and proven design nevertheless entails high costs for the motor-pump unit, particularly for the BLDC motor and the required commutation electronics for the motor control, such as the BLDC driver or the B6 bridge circuit. If the commutation electronics are not integrated directly into the motor, but rather into a central transmission control unit or the inverter control board of the electric traction machine, additional costs arise for the complex wiring harness and connectors.
  • electromagnetically actuated oscillating piston or diaphragm pumps are already being used in other automotive applications. These pumps, generally designed in-line for direct in-line installation, however, only deliver very low flow rates. They are used as metering pumps for fuel metering for auxiliary heaters and auxiliary heaters, as AdBlue metering pumps, or as fuel metering pumps for exhaust gas thermal management. However, compared to the eDrive oils used in electric drives, they pump significantly lower-viscosity media, such as diesel or AdBlue. Oscillating piston pumps or diaphragm pumps used as metering pumps are generally designed for very low flow rates, and their operation is often audible.
  • Impeller or centrifugal pumps are also used as circulation pumps in cooling water circuits. These operate according to the hydrodynamic principle Turbopumps operating in this way require a motor drive and, in contrast to the positive displacement pumps described above, are not self-priming without additional measures.
  • the object of the invention is to propose an improved pump which consists of a cost- and function-optimised electromagnetically actuated reciprocating piston pump with a double-acting pump piston pressurised on both sides and an optional valve for the oil temperature-dependent control of partial volume flows.
  • the task is solved with a reciprocating piston pump with a fluid-flowing pump housing and an axially movable and fluid-flowing pump piston arranged coaxially to two housing-fixed toroidal coils, wherein inlet valves and outlet valves are arranged concentrically to the pump axis and in the radial direction within the toroidal coils and the pump piston is guided by a two-part guide sleeve or yoke discs arranged directly in the pump housing in a two-part displacement chamber.
  • the pump piston integrates the function of a movable armature (armature of the magnetic circuit) and a delivery piston.
  • the pump piston is double-acting and can be moved in the axial direction of the reciprocating piston pump.
  • the pump piston is made of a material with good magnetic conductivity and a high relative permeability, wherein the material is preferably iron (Fe), ferrosilicon (FeSi) or a free-cutting steel (11SMn30).
  • the first and second bearing bushes are made of a material with good magnetic conductivity and a high relative permeability, wherein the material is preferably iron (Fe), ferrosilicon (FeSi) or a free-cutting steel (11 SMn30).
  • the bearing bushes are thick-walled with a wall thickness of 1-3mm.
  • the two-part guide sleeve comprises a first bearing bush and a second bearing bush, wherein the first and second bearing bush are made of a magnetically insulating material with low relative permeability (p r ⁇ 1 ), wherein the material is preferably aluminum (AI), (EN AW 6062), stainless steel or brass.
  • the pump piston is coated on its outer surface, or the first and second bearing bushings are coated on their inner surfaces, with a magnetically insulating coating, preferably Teflon or a chromium nitride coating, wherein the coating further advantageously has a layer thickness of 20 to 100 ⁇ m. Even more advantageously, the chromium nitride layer thickness is in the range of 20 to 25 ⁇ m, and the PTFE layer thickness is in the range of 25 to 50 ⁇ m.
  • the coating must be magnetically insulating, highly wear-resistant, and have good sliding properties/low frictional resistance.
  • guide bushes designed as bearing bushes these are designed as metal-polymer plain bearing bushes, which consist of a magnetically conductive steel back and a magnetically insulating plain bearing layer.
  • the pump piston By designing the pump piston with a magnetically insulating coating, it can be guided directly in the yoke discs, namely the first and second yoke discs. During axial movement of the pump piston The pump piston slides by means of its outer surface or the coating on the inner surfaces of the first and second yoke disc.
  • the inner surface of the yoke discs can include the coating.
  • a coating with good sliding properties and high wear resistance is, for example, a thin-walled Teflon coating.
  • This allows the pump piston to be directly guided in the coil body made of plastic, e.g., PPS + 50 GF / MD, or on the pole discs made of steel, e.g., 11 SMnPbßO.
  • a costly thin-walled, magnetically insulating stainless steel or brass sleeve is eliminated.
  • the two guide bushings By using two short guide bushings instead of a continuous thin-walled guide sleeve, the two guide bushings, namely the first and the second guide bushing, can also be designed with greater wall thicknesses (1 -3 mm), which in turn makes production easier and more cost-effective.
  • the basic idea is to apply a magnetically insulating coating to components that move relative to one another, which act as magnetic flux guides.
  • the magnetically insulating coating simultaneously performs the following functions: improving wear and friction properties and minimizing magnetic losses.
  • metal-polymer plain bearing bushings which consist of a magnetically conductive steel backing and a magnetically insulating plain bearing layer.
  • a valve is flanged to the outlet side of the reciprocating piston pump and provides two paths.
  • this valve for the demand-based control of partial volume flows, e.g., to the stator and rotor of a wet-running, oil-cooled electric motor, the required pump size can be significantly reduced compared to a fixed distribution of partial volume flows. The pump's energy consumption during operation is also reduced.
  • a pressure-controlled valve cannot be used advantageously due to the inherent flow rate pulsations and the resulting pressure pulsations. Therefore, the use of a temperature-controlled valve controlled by a thermosensitive element, such as a thermosensitive spring or a wax capsule, is proposed.
  • the described embodiment features a pump housing open to the outside.
  • the coolant/lubricant pump located in the fluid sump provides targeted guidance of the inlet and outlet fluid flows for maximum convective heat dissipation through the operating medium.
  • the housing-mounted arrangement of the inlet valves and the guidance of the pressure side by the axially movable pump piston offer functional advantages. This eliminates the risk of air separation in the intake line—since there is no need for repeated deflections at sharp edges—and reduces the risk of suction throttling at higher stroke frequencies.
  • the problem is also solved by a method for controlling a reciprocating piston pump, wherein the pump piston is controlled via current profiles with positive and negative current pulses.
  • hydraulic end position damping is carried out by a path-controlled orifice geometry on the pump piston.
  • electromagnetic damping is achieved by a current profile of the energization of the coils. Another advantage is that short-term overload operation is possible.
  • thermosensitive element A further development of the method according to the invention provides for an active distribution of the flow rate via a thermosensitive element.
  • a preferred development of the method uses a coil heater for improved low-temperature starting behavior.
  • a cost-effective, oscillating positive displacement pump is used.
  • An electromagnetic linear actuator controlled by a corresponding current profile, actuates a double-acting piston to displace the fluid.
  • the flow rate is controlled by the frequency and amplitude of the current profile.
  • Figure 1 shows a hydraulic circuit diagram of an electromagnetically actuated reciprocating piston pump according to the invention.
  • Figure 2 shows an isometric view of a first embodiment of the electromagnetically actuated reciprocating piston pump according to the invention.
  • Figure 3 shows a front view of the reciprocating piston pump shown in Figure 2.
  • Figure 4 shows a first sectional view along the section plane A-A of the reciprocating piston pump shown in Figures 2 and 3.
  • Figure 5 shows a second sectional view along the section plane BB of the reciprocating piston pump shown in Figures 2 and 3.
  • Figure 6 shows a detailed sectional view along the section plane BB of the electromagnetic drive with integrated pump piston and valves of the reciprocating piston pump shown in Figures 2 to 5.
  • Figure 7 shows an isometric view of a further embodiment of the electromagnetically actuated reciprocating piston pump according to the invention with an integrated valve for the demand-based control of partial volume flows.
  • Figure 8 shows a front view of the reciprocating piston pump shown in Figure 7 with an integrated valve for demand-based control of partial volume flows.
  • Figure 9 shows a sectional view of the reciprocating piston pump shown in Figure 7 along the section plane A-A.
  • Figure 10 shows a sectional view of the reciprocating piston pump shown in Figure 7 along the section plane B-B.
  • Figure 11 shows a sectional view along the section plane C-C.
  • Figure 12 shows a sectional view along the section plane D-D.
  • Figure 13 shows an isometric view of the double coil assembly, without the windings of the toroidal coils shown, of an electromagnetically actuated reciprocating piston pump according to the invention according to Figures 2 to 11.
  • Figure 14 shows an end view of the double coil assembly shown in Figure 13.
  • Figure 15 shows a sectional view along section plane EE of the double coil assembly shown in Figure 13.
  • Figure 16 shows an isometric view of a yoke disc.
  • Figure 17 shows a schematic design for connecting the two electromagnetic coils of a double coil pump according to the invention.
  • Figure 18 shows a further schematic embodiment for connecting the two electromagnetic coils of a double coil pump according to the invention.
  • Figure 19a and Figure 19b show exemplary current profiles for the electrical control of an electromagnetically actuated double coil pump according to the invention.
  • Figure 20 shows a first sectional view along section plane A-A in Figure 8 of a further embodiment of the electromagnetically actuated reciprocating piston pump according to the invention with two individual coil assemblies.
  • Figure 21 shows a second sectional view along section plane B-B in Figure 8 of the electromagnetically actuated reciprocating piston pump according to the invention with two individual coil assemblies.
  • Figure 22 shows an isometric view of a coil former with integrated yoke disc.
  • Figure 23 shows an end view (view A in Figure 22) of a coil former with integrated yoke disc.
  • Figure 24 shows an isometric view of an assembly of a single coil assembly of the reciprocating pump embodiment shown in Figures 20 and 21.
  • Figure 25 shows an end view (view A in Figure 24) of the assembly of the single coil assembly.
  • Figure 26 shows a sectional view of the coil former shown in Figures 22 and 23 with integrated yoke disc along section plane F-F in Figure 23.
  • Figure 27 shows a sectional view of the assembly of the single coil assembly shown in Figures 24 and 25 along section plane G-G in Figure 25.
  • Figure 28 shows a detailed view of the further embodiment in the area between the yoke discs and the pump piston.
  • Figure 29 shows a detailed view of the first embodiment in the area between the two-part guide sleeve and the pump piston.
  • Figure 1 shows a hydraulic circuit diagram of an electromagnetically actuated reciprocating piston pump 1 with a suction side 7 and a pressure side 8.
  • a pump piston 19 is actuated via a first coil designed as a toroidal coil 12' and a second coil designed as a toroidal coil 12".
  • Figures 2-6 show a first embodiment of the electromagnetically actuated reciprocating piston pump 1 according to the invention.
  • the reciprocating piston pump 1 has a pump axis 10.
  • axial means in the direction of the pump axis 10.
  • Figure 2 shows an isometric view of the reciprocating piston pump 1 with a pump housing 2 and a pump cover 3.
  • a plug 4 is installed on the pump cover 3.
  • the pump housing 2 has several housing webs 29 on its outer circumference. Pump housings 2 with housing webs 29 are accommodated in a housing cavity (not shown) of a gear housing and held centered therein.
  • the pump housing 2 has parallel channels that form flow channels on the inlet and outlet sides.
  • the pump inlet 5 is located on the suction side 7, while the pump outlet 6 is located on the pressure side 8.
  • the outlet channels 9 are closed radially outward, toward the pump housing 2. This ensures effective cooling of the annular coils 12', 12" installed in the pump housing 2 from the outside by the surrounding fluid.
  • a corresponding design of the housing webs 29 enables a defined flow around the annular coils 12', 12".
  • Figure 4 shows a longitudinal section - section plane A-A in Figure 3 - through the electromagnetically actuated reciprocating piston pump 1 according to the invention.
  • the reciprocating piston pump 1 is designed with a double coil assembly 25 and has two toroidal coils fixed to the housing, namely a first and a second toroidal coil 12', 12", which are arranged on a common coil body 11.
  • the other soft iron components (electromagnetic active parts) required for the respective electromagnetic circuit, pole core, pole disk, casing, and yoke disk, are identical for the first and second toroidal coils 12', 12", and are arranged axially symmetrically to the axis SA (Fig. 9) to the coil body 11.
  • the first toroidal coil 12' is assigned a first pole core 14', a first pole disk 15', a first shell 16', and a first yoke disk 17'.
  • the second toroidal coil 12" is assigned a second pole core 14", a second pole disk 15", a second shell 16", and a second yoke disk 17".
  • Figure 5 shows a further longitudinal section - section plane BB in Figure 3 - through the reciprocating piston pump 1 along the pump axis 10.
  • the arrows symbolize the suction and pressure-side flow path through the reciprocating piston pump 1. Fluid is sucked in through the two inlet valves, namely the first inlet valve 20' and the second inlet valve 20".
  • the arrows show the inflow of the fluid up to the suction side 7.
  • the fluid flow runs via the first and second inlet valves 20' and 20" into the pump chamber, more precisely into the first displacement chamber 24' and the second displacement chamber 24".
  • the fluid flows on the pressure side via the first outlet channel 9' and the second outlet channel 9" to the pump outlet 6 on the pressure side 8.
  • Figure 6 shows a detailed sectional view of the longitudinal section B-B shown in Figure 5.
  • the pump piston 19 is displaced axially to the right, and the second displacement chamber 24" is reduced in volume, thus compressing the fluid therein ("top dead center”).
  • the first displacement chamber 24' shows its maximum capacity (“bottom dead center”).
  • the guidance of the pump piston 19 is achieved via a two-part guide sleeve consisting of two short bearing bushes, namely a first bearing bush 23' and a second bearing bush 23" made of bearing bronze or other plain bearing materials.
  • This design of the split bearing bush and division into the first and second bearing bushes 23', 23" eliminates the need for a continuous, thin-walled guide sleeve.
  • the two bearing bushes, namely the first bearing bush 23' and the second bearing bush 23" can be designed with greater wall thicknesses, for example in the range of 1.5 to 3 mm.
  • the functionally required radial gap S for magnetic insulation between the first yoke disc 17' or the second yoke disc 17" and the pump piston 19 can nevertheless be kept small (diametrical play is preferably in the range of 0.03 mm - 0.06 mm), which has an advantageous effect on the magnetic circuit.
  • a costly thin-walled stainless steel sleeve typically a drawn stainless steel or brass tube with the smallest possible wall thickness to minimize electromagnetic losses—generally less than 0.4 mm, ideally 0.2 mm—can be omitted.
  • Figures 7-10 show a further embodiment of the electromagnetically actuated reciprocating piston pump 1 according to the invention with an integrated valve 30 for controlling two partial volume flows, a first partial volume flow QA and a second partial volume flow QB.
  • the specific design of the reciprocating piston pump 1 allows for the optional use of the valve 30. All other components remain unaffected and have already been described in relation to Figures 2 to 6.
  • the valve 30 has a valve housing 31 and a valve cover 32.
  • Figure 8 shows in a front view the arrangement of the valve 30 on the reciprocating piston pump 1 .
  • Figure 9 shows the structure of the valve 30 in a sectional view along the pump axis 10.
  • a cylindrical valve piston 33 is arranged.
  • the first valve spring 34 is a thermosensitive spring. Alternatively, a wax element can be used.
  • Within the valve piston 33 there is a second valve spring 35 which acts as a return spring for the valve 30.
  • a first outlet 36 is located in the radial direction on a flange with which the valve 30 is connected to the pump housing 2.
  • a second outlet 37 is arranged axially parallel to the pump axis 10 on the front side of the valve housing 31.
  • Figure 10 shows the reciprocating piston pump in a view rotated about its pump axis 10, so that the first outlet 36 can be seen in the top view of the figure.
  • a section along the plane C - C in Figure 9 was chosen, which lies exactly centrally along the axis SA between the first toroidal coil 12' and the second toroidal coil 12".
  • the housing webs 29 can be seen, which also encompass the first outlet channel 9' and the second outlet channel 9".
  • the pump piston 19 can be seen radially inside the coil body 11.
  • the first and second toroidal coils 12', 12" are contacted via a first groove 28' for a wire feedthrough and a second groove 28" for the wire feedthrough.
  • Figure 12 shows a section approximately along the valve seat of the first outlet valve 21'.
  • the first annular coil 12' can be seen radially outside the first bearing bush 23'.
  • the pump piston 19 and the first outlet valve 21' are arranged within the first bearing bush 23'.
  • Figures 13-15 show different views of the double coil assembly 25, consisting of the common coil body 11 and integrated yoke discs, namely the first yoke disc 17' and the second yoke disc 17".
  • the windings of the two toroidal coils 12', 12" arranged on the coil body are not shown.
  • the double coil assembly 25 is preferably designed as a plastic injection-molded component with overmolded first and second yoke disks 17', 17".
  • the first and second yoke disks 17', 17" are inserted into an injection molding tool as inserts and overmolded with the coil body 11.
  • the clearances functionally required for the oil and wire guide, in particular the centrally located annular groove 27, the recesses for the pump outlet with a first recess 26' and a second recess 26", as well as the grooves with the first groove for the wire feedthrough 28' and the second groove for the wire feedthrough 28", can thus be integrated cost-effectively into the plastic injection-molded component.
  • Figure 15 shows a sectional view of the double coil assembly 25 as a plastic injection-molded component with the two overmolded yoke discs, the first yoke disc 17' and the second yoke disc 17" as well as the central radial annular groove 27.
  • Figure 16 shows an isometric view of an exemplary embodiment of the first yoke disc 17' with integrated grooves 28', 28" and openings 38 required for overmolding, which, for cost reasons, are preferably manufactured as a deep-drawn stamped part with a calibrated inner diameter.
  • the openings 38 are designed as axially extending bores.
  • Figure 17 shows a schematic representation of the connection of the two electromagnetic coils, namely the first toroidal coil 12' and the second toroidal coil 12" of the reciprocating piston pump 1 according to the invention.
  • a two-pole electrical connection 40 is connected to the first coil 12' and the second coil 12" via a first freewheeling diode 39' and a second freewheeling diode 39".
  • Figure 18 shows a further schematic representation of the connection of the first toroidal coil 12' and the second toroidal coil 12". Voltage is applied to the first toroidal coil 12' and the second toroidal coil 12" via a three-pole connection 41.
  • Figures 19a and 19b show two different pump control methods, which differ primarily in terms of the achievable dynamics (maximum stroke frequency) and the electrical power consumption (energy efficiency).
  • the coordinate systems shown are a current i/time t diagram.
  • the current waveform is drawn sinusoidally or stepwise with a period T of 43 and a positive and a negative half-wave of 44' and 44".
  • a sinusoidal current profile 44' is applied.
  • a stepped profile 45' with several current steps i1, i2, i3.
  • the two control methods differ particularly in terms of the achievable stroke frequency and energy efficiency (the electrical energy absorbed by the coil corresponds to the hatched area).
  • Figures 20 - 27 show a further embodiment of an embodiment of a reciprocating piston pump T according to the invention. This differs from the previously described embodiments in that a double coil assembly 25 is not formed by a common coil body 11 with the first and second toroidal coils 12' and 12", but rather by two individual coil assemblies 25' which are accommodated in the pump housing 2.
  • Figures 20 and 21 show the further embodiment of the reciprocating piston pump T according to the invention in two different longitudinal sections (rotated by 90 degrees)
  • the reciprocating piston pump T is designed with two individual coil assemblies 25'.
  • the two individual coil assemblies each have a toroidal coil, namely the first toroidal coil 12' and the second toroidal coil 12", which are each arranged separately on a coil body.
  • the other soft iron components required for the respective electromagnetic circuit (electromagnetic active parts), pole core, pole disc, jacket and yoke disc are identical for the first and second toroidal coil 12', 12".
  • the two individual coil assemblies 25' in Figures 20 and 21 are preferably constructed symmetrically (identical parts). For the sake of simplicity, only one of the two individual coil assemblies 25' is shown and described below with reference to Figures 22-27.
  • the two pre-assembled individual coil assemblies 25' are installed symmetrically in the reciprocating piston pump 1' according to the invention, thus enabling cost-effective production. Additional components, such as spacer rings for positioning the coil assembly, can be omitted.
  • Figure 22 shows an isometric view of the first coil former 11' with the integrated first yoke disc 17'.
  • the first coil former 11' is preferably designed as a plastic injection-molded component. It is possible to design the first yoke disc 17' as an insert and to overmold it with the first coil former 11' during the injection molding process. However, a multi-part design of the coil former and the yoke disc is also possible.
  • Figure 22 further shows the formation of radially extending recesses 26’, 26”.
  • Figure 23 shows a front view (view A in Figure 22) of the first coil former 11' with the integrated first yoke disc 17'.
  • the radially extending recesses 26', 26" as well as the grooves for the wire feedthroughs 28 are visible.
  • Figure 26 shows a sectional view of the coil former 11' shown in Figures 22 and 23 with integrated yoke disc 17'.
  • the pump piston 19 and the yoke discs 17', 17" are made of a material with good magnetic conductivity. This material has a high relative permeability. Examples of materials used include iron (Fe), ferrosilicon (FeSi), or free-cutting steel (11 SMn30).
  • the pump piston 19 is provided with a magnetically insulating coating 19b on its outer surface 19a. This coating 19b also exhibits high wear resistance and good sliding properties. Teflon or a chromium nitride coating is advantageously used as the material for the coating.
  • the coating has a thickness of 25 to 100 ⁇ m in particular.
  • the coating 19b can also be applied to the radially opposite side of the guide, namely to the inner circumferential surfaces 17a' and 17a" of the yoke discs.
  • the pump piston 19 can also be guided directly in the coil body, which is made of plastic, e.g., PPS + 50 GF / MD.
  • the outer surface of the piston with a material with magnetically insulating properties is not necessary.
  • Figure 29 shows a detailed section of the sliding surfaces according to the first embodiment, in which the pump piston 19 is guided axially displaceably in the two-part guide sleeve.
  • the two-part guide sleeve is designed as a first and second bearing bush 23' and 23".
  • the axial displaceability is indicated by the double arrow.
  • the pump piston 19 and the first and second bearing bushes 23', 23" are made of a material with good magnetic conductivity. This material has a high relative permeability. Examples of materials used include iron (Fe), ferrosilicon (FeSi), or a free-cutting steel (11SMn30).
  • the first and second bearing bushes 23', 23" are preferably thick-walled with a wall thickness of 1 - 3 mm.
  • the pump piston 19 is provided with a magnetically insulating coating 19b on its outer surface 19a. This coating 19b also exhibits high wear resistance and good sliding properties. Teflon is advantageously used as the material for the coating.
  • the coating has a thickness of 25 to 100 ⁇ m.
  • the pump piston 19 slides by means of the coating 19b on its outer surface 19a on the inner surfaces 23a', 23a" of the first and second bearing bushes 23', 23".
  • the coating 19b can also be applied to the radially opposite side of the guide, namely to the inner circumferential surfaces 23a' and 23a" of the yoke discs.
  • the pump piston 19 is guided axially displaceably in the two-part guide sleeve.
  • the two-part guide sleeve is designed as a first and second bearing bush 23' and 23".
  • the pump piston 19 is made of a material with good magnetic conductivity. This material has a high relative permeability. Examples of materials used include iron (Fe), ferrosilicon (FeSi), or free-cutting steel (11 SMn30).
  • the two-part guide sleeve in the form of a first and second bearing bush 23', 23" is made of a magnetically insulating material with a low relative permeability (p r ⁇ 1). Examples of materials used include aluminum (AI), (EN AW 6062), stainless steel, or brass.
  • the pump piston 19 is provided with a magnetically insulating coating 19b on its outer surface 19a. This coating 19b also exhibits high wear resistance and good sliding properties. Teflon is advantageously used as the material for the coating.
  • the coating has a thickness of 25 to 100 ⁇ m.
  • the pump piston 19 slides by means of the coating 19b on its outer surface 19a on the inner surfaces 23a', 23a" of the first and second bearing bushes 23', 23".
  • the coating 19b can also be applied to the radially opposite side of the guide, namely to the inner circumferential surfaces 23a' and 23a" of the yoke discs.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenpumpe (1, 1') mit einem fluiddurchströmten Pumpengehäuse (2) und einer Pumpenachse (10), und einem, koaxial zu zwei gehäusefesten Ringspulen, nämlich einer ersten Ringspule (12') und einer zweiten Ringspule (12'') angeordneten, axial beweglichen und fluiddurchströmten Pumpkolben (19), wobei die Hubkolbenpumpe (1) zwei Einlassventile, nämlich ein erstes Einlassventil (20') und ein zweites Einlassventil (20'') und zwei Auslassventile, nämlich ein erstes Auslassventil (21') und ein zweites Auslassventil (21'') aufweist, wobei das erste Einlassventil (20') und das erste Auslassventil (21') konzentrisch zur Pumpenachse (10) innerhalb der ersten Ringspule (12') und das zweite Einlassventil (20') und das zweite Auslassventil (21') konzentrisch zur Pumpenachse (10) innerhalb der zweiten Ringspule (12'') angeordnet sind und der Pumpkolben (19) in einer zweigeteilten Führungshülse oder direkt im Pumpengehäuse (2) in einer zweigeteilten Verdrängerkammer geführt ist.

Description

Hubkolbenpumpe sowie ein Verfahren zur Steuerung der Hubkolbenpumpe
Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenpumpe mit einem fluiddurchströmten Pumpengehäuse und einem, koaxial zu zwei gehäusefesten Ringspulen angeordneten, axial beweglichen und fluiddurchströmten Pumpkolben.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Steuerung einer Hubkolbenpumpe.
Stand der Technik
In elektrischen Traktionsantrieben kommen üblicherweise über bürstenlose Gleichstrommotore (BLDC-Motore) angetriebene Ölpumpen zur Anwendung, welche unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit, einen bedarfsgerecht über Drehzahlregelung des BLDC-Motors einstellbaren Fördervolumenstrom liefern. Als bevorzugter Pumpentyp werden rotierende Verdrängerpumpen in der Ausführung als Zahnringpumpen, sogenannte Gerotorpumpen, eingesetzt. Die Pumpe besteht aus einem Rädersatz mit einem Innen- und einem Außenrotor sowie einem im Allgemeinen zwei- oder dreiteiligen Pumpengehäuse. Diese an sich einfache und bewährte Ausführung bringt dennoch hohe Kosten für die Motor-Pumpeneinheit, insbesondere für den BLDC-Motor und der erforderlichen Kommutierungselektronik für die Motorsteuerung wie der BLDC-Treiber bzw. die B6-Brückenschaltung mit sich. Wird die Kommutierungselektronik nicht unmittelbar am Motor, sondern in einem zentralen Getriebesteuergerät oder dem Inverter Control Board der elektrischen Traktionsmaschine integriert, so fallen zusätzliche Kosten für den aufwändigen Kabelstrang und Stecker an.
Kostengünstigere Ausführungen als bürstenbehaftete Gleichstrommotore lassen sich zwar auf einfache Weise ansteuern, arbeiten aufgrund der Schleifkontakte jedoch nicht verschleißfrei und haben somit eine deutlich reduzierte Lebensdauer. Mechanisch, beispielsweise über eine Getriebezwischenwelle, angetriebene Ölpumpen haben den Nachteil, dass der erzielbare Fördervolumenstrom von der Fahrzuggeschwindigkeit abhängig ist. Somit kann bei bestimmten Betriebszuständen, beispielsweise bei hohem Drehmoment und geringer Fahrzeuggeschwindigkeit, kein ausreichender Kühlölstrom bereitgestellt werden. Darüber hinaus wird bei Sekundärantrieben, welche nicht über eine mechanische Trennkupplung verfügen, dauerhaft eine Schleppleistung generiert.
Insbesondere für Anwendungen in elektrischen Sekundärantrieben, wo im Vergleich zu Primäranwendungen über der gesamten Fahrzeuglebensdauer nur sehr geringe Zeitanteile mit aktivem Betrieb sowie ein im Allgemeinen geringerer Kühlölbedarf gefordert werden, stellen die oben angeführten, nach dem Stand der Technik bekannten, Ausführungen unter Berücksichtigung der Kosten- und Effizienzforderungen somit keine absolut zufriedenstellende Lösung dar.
Darüber hinaus kommen in anderen automotiven Anwendungen bereits elektromagnetisch aktuierte Schwingkolben- oder Membranpumpen zum Einsatz. Diese im Allgemeinen in in-line Bauweise, für den direkten Leitungseinbau, konzipierten Pumpen liefern jedoch nur sehr geringe Fördervolumenströme. Sie werden als Dosierpumpen zur Kraftstoffdosierung für Standheizung und Zuheizer, als AdBlue-Dosierpumpen oder als Kraftstoffdosierpumpen für das Abgasthermomanagement eingesetzt. Dabei werden allerdings, gegenüber in elektrischen Antrieben eingesetzten eDrive Ölen, deutlich niederviskosere Medien gefördert, beispielsweise Diesel oder AdBlue. Als Dosierpumpen eingesetzte Schwingkolbenpumpen oder Membranpumpen sind im Allgemeinen für sehr kleine Fördervolumenströme konzipiert, wobei deren Betrieb häufig akustisch wahrnehmbar ist.
Als Umwälzpumpen in Kühlwasserkreisen werden auch Laufrad- oder Kreiselpumpen eingesetzt. Diese nach dem hydrodynamischen Prinzip arbeitenden Turbopumpen benötigen wiederum einen motorischen Antrieb und sind, im Gegensatz zu den oben beschriebenen Verdrängerpumpen, ohne Zusatzmaßnahmen nicht selbstansaugend.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Pumpe vorzuschlagen, die aus einer kosten- und funktionsoptimierten elektromagnetisch betätigbaren Hubkolbenpumpe mit doppeltwirkendem, beidseitig beaufschlagtem Pumpkolben und optionalem Ventil zur öltemperaturabhängigen Steuerung von Teilvolumenströmen besteht.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst mit einer Hubkolbenpumpe mit einem fluiddurchströmten Pumpengehäuse und einem, koaxial zu zwei gehäusefesten Ringspulen angeordneten, axial beweglichen und fluiddurchströmten Pumpkolben, wobei Einlassventile und Auslassventile konzentrisch zur Pumpenachse und in radialer Richtung innerhalb der Ringspulen angeordnet sind und der Pumpkolben von einer zweigeteilten Führungshülse oder direkt im Pumpengehäuse angeordneten Jochscheiben in einer zweigeteilten Verdrängerkammer geführt ist.
Der Pumpkolben integriert die Funktion eines beweglichen Ankers (Anker des Magnetkreises) und eines Förderkolbens.
Der Pumpkolben ist doppeltwirkend in Axialrichtung der Hubkolbenpumpe verschiebbar.
Vorzugsweise ist der Pumpkolben aus einem gut magnetisch leitenden Material, mit einer hohen relativen Permeabilität ausgeführt, wobei das Material vorzugsweise Eisen (Fe), Ferrosilicium (FeSi) oder ein Automatenstahl (11SMn30) ist. Weiter vorteilhaft sind die erste und zweite Lagerbüchse aus einem gut magnetisch leitenden Material, mit einer hohen relativen Permeabilität ausgeführt, wobei das Material vorzugsweise Eisen (Fe), Ferrosilicium (FeSi) oder ein Automatenstahl (11 SMn30) ist.
In einer noch weiter vorteilhaften Ausführungsform sind die Lagerbüchsen dickwandig mit einer Wandstärke von 1-3mm ausgebildet.
In einer Weiterbildung umfasst die zweigeteilte Führungshülse eine erste Lagerbüchse und einer zweiten Lagerbüchse, wobei die erste und zweite Lagerbüchse aus einem magnetisch isolierenden Material mit geringer relativer Permeabilität (pr~ 1 ) ausgeführt sind, wobei das Material vorzugsweise Aluminium (AI), (EN AW 6062), Edelstahl oder Messing ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Pumpkolben auf seiner äußeren Mantelfläche oder die erste und zweite Lagerbüchse sind auf ihren inneren Mantelflächen mit einer magnetisch isolierenden Beschichtung vorzugsweise Teflon oder einer Chromnitrid-Beschichtung ausgeführt, wobei die Beschichtung weiter vorteilhaft eine Schichtstärke von 20 bis 100 pm umfasst. Insbesondere noch weiter vorteilhaft liegt die Chromnitrid Schichtstärke in der Größenordnung von 20 bis 25 pm und eine PTFE-Schichtstärke in der Größenordnung von 25 bis 50pm. Die Beschichtung muss magnetisch isolierend, eine hohe Verschleißbeständigkeit und gute Gleiteigenschaften / einen geringen Reibungswiderstand aufweisen.
In einer alternativen Ausführung der als Lagerbüchsen ausgebildeten Führungsbuchsen sind diese als Metall-Polymer Gleitlagerbuchsen ausgebildet, welche aus einem magnetisch leitenden Stahlrücken und einer magnetisch isolierenden Gleitlagerschicht bestehen.
Durch die Ausbildung des Pumpkolbens mit einer magnetisch isolierenden Beschichtung kann dieser direkt in den Jochscheiben, nämlich der ersten und zweiten Jochscheibe geführt werden. Bei einer Axialbewegung des Pumpkolbens gleitet der Pumpkolben mittels seiner äußeren Mantelfläche bzw. der Beschichtung auf den inneren Mantelflächen der ersten und zweiten Jochscheibe.
Alternativ kann die innere Mantelfläche der Jochscheiben die Beschichtung umfassen.
Eine Beschichtung mit guten Gleiteigenschaften und hoher Verschleißbeständigkeit ist beispielsweise eine dünnwandige Teflon Schicht. Dadurch kann der Pumpkolben im Spulenkörper der aus Kunststoff, z.B. PPS + 50 GF / MD oder an den Polscheiben aus Stahl, z.B. 11 SMnPbßO unmittelbar geführt werden. Eine kostenintensive dünnwandige, magnetisch isolierende, Edelstahloder Messinghülse kann entfallen.
Durch Einsatz von zwei kurzen Führungsbuchsen anstelle einer durchgehenden dünnwandigen Führungshülse können die beiden Führungsbuchsen, nämlich die erste und die zweite Führungsbuchse zudem mit stärkeren Wandstärken (1 -3 mm) ausführt werden, was wiederum die Herstellung einfacher und kostengünstiger macht.
Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen besteht die grundsätzliche Idee darin eine magnetisch isolierende Beschichtung auf relativ zueinander bewegte Bauteile aufzubringen, welche als magnetische Flussleitelemente wirksam sind. Dabei hat die magnetisch isolierende Beschichtung gleichzeitig folgende Funktionen: Verbesserung der Verschleiß und Reibungseigenschaften und Minimierung der magnetischen Verluste.
Dasselbe Prinzip kann durch den Einsatz von Metall-Polymer Gleitlagerbuchsen, welche aus einem magnetisch leitenden Stahlrücken und einer magnetisch isolierenden Gleitlagerschicht bestehen, erzielt werden.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist ein Ventil ausgangsseitig an der Hubkolbenpumpe angeflanscht und stellt zwei Wege zur Verfügung. Durch den Einsatz dieses Ventils zur bedarfsgerechten Steuerung von Teilvolumenströmen, bspw. zu Stator und Rotor einer nasslaufenden ölgekühlten E -Maschine, kann die erforderliche Pumpengröße gegenüber einer festen Verteilung von Teilvolumenströmen wesentlich reduziert werden. Der Energiebedarf der Pumpe im Betrieb wird ebenfalls reduziert. Ein druckgesteuertes Ventil kann - aufgrund der prinzipbedingten Förderstrompulsationen und den daraus resultierenden Druckpulsationen - nicht vorteilhaft eingesetzt werden. Daher wird der Einsatz eines temperaturgesteuerten Ventils mit einer Steuerung über ein thermosensitives Element, beispielsweise eine thermosensitive Feder oder eine Wachskapsel, vorgeschlagen.
Die beschriebenen Ausführungsform weist ein nach außen hin offenes Pumpengehäuse auf. Die im Fluidsumpf angeordnete Kühl-/Schmiermittelpumpe zeigt eine gezielte Führung der ein- und auslassseitigen Fluidströme für maximale konvektive Wärmeabfuhr durch das Betriebsmedium.
Die gehäusefeste Anordnung der Einlassventile und Führung der Druckseite durch den axial beweglichen Pumpenkolben bringt funktionale Vorteile. Dadurch wird die Gefahr von Luftausscheidung in der Saugstrecke - da es keine Notwendigkeit der mehrmaligen Umlenkung an scharfen Kanten gibt - vermieden und die Gefahr von Saugdrosselung bei höheren Hubfrequenzen eingeschränkt.
Die Aufgabe wird auch gelöst mit einem Verfahren zum Steuern einer Hubkolbenpumpe, wobei die Steuerung des Pumpenkolbens über Stromprofile mit positiven und negativen Strompulsen erfolgt.
In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass eine hydraulische Endlagendämpfung durch eine weggesteuerte Blendengeometrie am Pumpkolben erfolgt.
Vorteilhafterweise erfolgt eine elektromagnetische Dämpfung durch ein Stromprofil der Bestromung der Spulen. Weiter vorteilhaft ist ein kurzzeitiger Überlastbetrieb möglich.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass eine aktive Verteilung des Förderstroms über ein thermosensitives Element erfolgt.
Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens setzt eine Spulenheizung für ein verbessertes Tieftemperatur-Startverhalten ein.
Anstelle einer aus dem Stand der Technik bekannten rotierenden
Verdrängerpumpe wird eine kostengünstig umsetzbare, oszillierende Verdrängerpumpe verwendet. Ein über ein entsprechendes Stromprofil angesteuerter elektromagnetischer Linearantrieb betätigt einen Doppelhubkolben zur Verdrängung des Fluid. Über die Frequenz und die Amplitude des Stromprofils wird der Fördervolumenstrom gesteuert.
Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt ein hydraulisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen elektromagnetisch betätigbaren Hubkolbenpumpe.
Figur 2 zeigt eine isometrische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektromagnetisch betätigbaren Hubkolbenpumpe.
Figur 3 zeigt eine Stirnansicht der in Figur 2 dargestellten Hubkolbenpumpe.
Figur 4 zeigt eine erste Schnittansicht entlang der Schnittebene A-A der in Figur 2 und 3 dargestellten Hubkolbenpumpe.
Figur 5 zeigt eine zweite Schnittansicht entlang der Schnittebene B-B der in Figur 2 und 3 dargestellten Hubkolbenpumpe. Figur 6 zeigt eine Detail- Schnittansicht entlang der Schnittebene B-B des elektromagnetischen Antriebes mit integriertem Pumpenkolben und Ventilen der in den Figuren 2 bis 5 dargestellten Hubkolbenpumpe.
Figur 7 zeigt eine isometrische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektromagnetisch betätigbaren Hubkolbenpumpe mit integriertem Ventil zur bedarfsgerechten Steuerung von Teilvolumenströmen.
Figur 8 zeigt eine Stirnansicht der in Figur 7 dargestellten Hubkolbenpumpe mit integriertem Ventil zur bedarfsgerechten Steuerung von Teilvolumenströmen.
Figur 9 zeigt eine Schnittansicht der in Figur 7 dargestellten Hubkolbenpumpe entlang der Schnittebene A-A.
Figur 10 zeigt eine Schnittansicht der in Figur 7 dargestellten Hubkolbenpumpe entlang der Schnittebene B-B.
Figur 11 zeigt eine Schnittansicht entlang der Schnittebene C-C.
Figur 12 zeigt eine Schnittansicht entlang der Schnittebene D-D.
Figur 13 zeigt eine isometrische Ansicht der Doppelspulenbaugruppe, ohne dargestellte Wicklungen der Ringspulen, einer erfindungsgemäßen elektromagnetisch betätigbaren Hubkolbenpumpe nach Figur 2 bis 11.
Figur 14 zeigt eine Stirnansicht der in Figur 13 dargestellten Doppelspulenbaugruppe.
Figur 15 zeigt eine Schnittansicht entlang Schnittebene E-E der in Figur 13 dargestellten Doppelspulenbaugruppe. Figur 16 zeigt eine isometrische Ansicht einer Jochscheibe.
Figur 17 zeigt eine schematische Ausführung zur Verschaltung der beiden Elektromagnetspulen einer erfindungsgemäßen Doppelspulenpumpe.
Figur 18 zeigt eine weitere schematische Ausführung zur Verschaltung der beiden Elektromagnetspulen einer erfindungsgemäßen Doppelspulenpumpe.
Figur 19a und Figur 19b zeigen beispielhafte Stromprofile für die elektrische Ansteuerung einer erfindungsgemäßen elektromagnetisch betätigbaren Doppelspulenpumpe.
Figur 20 zeigt eine erste Schnittansicht entlang Schnittebene A-A in Figur 8 einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektromagnetisch betätigbaren Hubkolbenpumpe mit zwei Einzelspulenbaugruppen.
Figur 21 zeigt eine zweite Schnittansicht entlang Schnittebene B-B in Figur 8 der erfindungsgemäßen elektromagnetisch betätigbaren Hubkolbenpumpe mit zwei Einzelspulenbaugruppen.
Figur 22 zeigt eine isometrische Ansicht eines Spulenkörpers mit integrierter Jochscheibe.
Figur 23 zeigt eine Stirnansicht (Ansicht A in Figur 22) eines Spulenkörpers mit integrierter Jochscheibe.
Figur 24 zeigt eine isometrische Ansicht eines Zusammenbaus einer Einzelspulenbaugruppe der in Figur 20 und 21 dargestellten Ausführungsform der Hubkolbenpumpe. Figur 25 zeigt eine Stirnansicht (Ansicht A in Figur 24) des Zusammenbaus der Einzelspulenbaugruppe.
Figur 26 zeigt eine Schnittansicht des in Figur 22 und 23 dargestellten Spulenkörpers mit integrierter Jochscheibe entlang Schnittebene F-F in Figur 23.
Figur 27 zeigt eine Schnittansicht des in Figur 24 und 25 dargestellten Zusammenbaus der Einzelspulenbaugruppe entlang Schnittebene G-G in Figur 25.
Figur 28 zeigt eine Detailansicht der weiteren Ausführungsform im Bereich zwischen Jochscheiben und Pumpkolben.
Figur 29 zeigt eine Detailansicht der ersten Ausführungsform im Bereich zwischen zweigeteilter Führungshülse und Pumpkolben.
Figur 1 zeigt ein hydraulisches Schaltbild einer elektromagnetisch betätigbaren Hubkolbenpumpe 1 mit einer Saugseite 7 und einer Druckseite 8. Über eine erste als Ringspule 12' ausgeführte Spule und eine zweite als Ringspule 12“ ausgeführte Spule wird ein Pumpenkolben 19 betätigt.
Mögliche elektrische Verschaltungen der ersten Ringspule 12' und der zweiten Ringspule, 12“ sind in Figur 17 und in Figur 18 dargestellt. Beispielhafte Stromprofile zu Ansteuerung der Hubkolbenpumpe 1 sind in Figur 19a und 19b dargestellt.
In der Ausführungsform wird der beidseitig beaufschlagte Pumpenkolben 19 über einen Doppelspulen-Hubmagnet in zwei Richtungen über die alternierend wirkende elektromagnetische Kraftwirkung betätigt. Figuren 2-6 zeigen eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektromagnetisch betätigbaren Hubkolbenpumpe 1. Die Hubkolbenpumpe 1 weist eine Pumpenachse 10 auf. Axial bedeutet in Sinne der vorliegenden Erfindung in Richtung der Pumpenachse 10.
Figur 2 zeigt eine isometrische Ansicht der Hubkolbenpumpe 1 mit einem Pumpengehäuse 2 und einem Pumpendeckel 3. Am Pumpendeckel 3 ist ein Stecker 4 verbaut.
Das Pumpengehäuse 2 weist am äußeren Umfang mehrere Gehäusestege 29 auf. Pumpengehäuse 2 mit Gehäusestegen 29 sind in einer nicht dargestellten Gehäusekavität eines Getriebegehäuses aufgenommen und darin zentriert gehalten. Das Pumpengehäuse 2 weist parallel zueinander verlaufende Kanäle auf, die ein- und auslassseitige Strömungskanäle bilden. Der Pumpeneinlass 5 befindet sich auf der Saugseite 7, während der Pumpenauslass 6 auf der Druckseite 8 liegt.
Während die einlassseitigen Kanäle zwischen dem Pumpengehäuse 2 und den Gehäusestegen 29 gebildet werden, sind die Auslasskanäle 9 nach radial außen, zum Pumpengehäuse 2 hin, verschlossen. Dadurch kann eine gute Entwärmung der im Pumpengehäuse 2 verbauten Ringspulen 12‘, 12“ von außen durch das umströmende Fluid sichergestellt werden. Durch eine entsprechende Gestaltung der Gehäusestege 29 wird eine definierte Umströmung der Ringspulen 12‘, 12“ möglich.
Es liegt ein mit Öl durchströmtes Pumpengehäuse 2 vor mit nasslaufenden Hubmagneten und ölgedampfter Bewegung eines Pumpenkolbens.
Neben der dargestellten axialen Durchströmung sind weitere Ausführungen denkbar, die beispielsweise eine spiralförmig oder mäanderförmig verlaufende Umströmung ermöglichen. Somit kann einerseits eine gute Entwärmung durch konvektive Wärmeabfuhr sichergestellt werden, andererseits können Zusatzfunktionen, wie eine Spulenheizfunktion für den Betrieb bei Tieftemperatur oder die Möglichkeit einer hinreichend präzisen Fluidtemperaturmessung über Widerstandsmessung an der Spulenwicklung, umgesetzt werden.
Darüber hinaus können für die Gehäusebauteile Kunststoff- Spritzgusskomponenten aus beispielsweise PPS + 50% GF eingesetzt werden, wodurch ein kosteneffizientes Pumpendesign möglich wird.
Die ersten und zweiten Auslasskanäle 9‘, 9“ werden in dem Pumpenauslass 6 zusammengeführt. Das auf der Druckseite 8 im Bereich des Pumpenauslasses 6 angeordnete Fluidvolumen ist als Dämpfungsvolumen, zur Glättung der prinzipbedingten Förderstrompulsationen, wirksam.
Einlassseitig wird das Fluid über auf der Saugseite 7 angeordnete axial und radial eingebrachte Aussparungen als Pumpeneinlass 5 im Pumpengehäuse 2 zu einem ersten und einem zweiten Einlassventil 20‘, 20“ der Hubkolbenpumpe 1 geführt. Wie es aus den Schnittdarstellungen der Figuren 4, 5, 6, 9 und 10 zu erkennen ist, ist das erste Einlassventil 20' in axialer Richtung der Hubkolbenpumpe 1 gesehen auf der linken Seite des Pumpenkolbens 19 angeordnet und das zweite Einlassventil 20“ auf der rechten Seite des Pumpenkolbens 19 angeordnet. Damit wird ein doppeltwirkendes Arbeitsprinzip mit beidseitig beaufschlagtem Pumpkolben sowie eine definierte Umströmung und konvektive Wärmeabfuhr der elektromagnetischen Aktivteile der Pumpe, sowohl saug- als auch druckseitig, radial innen und radial außen, über das Betriebsmedium realisiert.
Zu den elektromagnetischen Aktivteilen der Hubkolbenpumpe 1 gehören: zwei Polkerne, zwei Polscheiben, zwei Mäntel, zwei Jochscheiben und die beiden Ringspulen. Die Anordnung dieser Bauteile wird nachfolgend anhand der Schnittdarstellungen näher beschrieben. Die elektromagnetischen Aktivteile sind gehäusefest angeordnet und werden dem durch das nach außen hin teilweise offene Pumpengehäuse 2 umschlossen. Dies sorgt für eine gute Wärmeabfuhr durch das umgebende Fluid.
Dies kann zusätzlich durch den Einsatz einer Leiteinrichtung, welche das Fluid in radialer und axialer Richtung definiert um die Mantelfläche des Pumpengehäuses 2 und in der Folge zu dem ersten und zweiten Einlassventil 20‘, 20“ führt, unterstützt werden. Die Leiteinrichtung kann als separates, ein- oder mehrteiliges, Einlegeteil oder durch eine spezielle Gestaltung der Gehäusestege 29 ausgeführt werden. D.h. die Gehäusestege 29 müssen nicht zwingend parallel zur Pumpenachse 10 verlaufen, sondern können derart ausgeführt sein, sodass sich zwischen dem Pumpengehäuse 2 mit den Gehäusestegen 29 und der Aufnahmekavität im Getriebegehäuse mäanderförmige oder gewindegangförmige verlaufende Strömungskanäle ausbilden.
Figur 3 zeigt eine Aufsicht auf das Pumpengehäuse 2 (Ansicht A in Figur 2).
Figur 4 zeigt einen Längsschnitt - Schnittebene A-A in Figur 3 - durch die erfindungsgemäße elektromagnetisch betätigbare Hubkolbenpumpe 1.
Die Hubkolbenpumpe 1 ist mit einer Doppelspulenbaugruppe 25 ausgeführt und weist zwei gehäusefest angeordnete Ringspulen, nämlich eine erste und eine zweite Ringspule 12‘, 12“ auf, die an einem gemeinsamen Spulenkörper 11 angeordnet sind. Die weiteren, für den jeweiligen elektromagnetischen Kreis erforderlichen Weicheisen-Komponenten (elektromagnetischen Aktivteile), Polkern, Polscheibe, Mantel und Jochscheibe sind für die erste und die zweite Ringspule 12‘, 12“ identisch ausgeführt und achsensymmetrisch zur Achse SA (Fig. 9) zum Spulenkörper 11 angeordnet.
Demnach sind der ersten Ringspule 12' ein erster Polkern 14‘, eine erste Polscheibe 15‘, ein erster Mantel 16' und eine erste Jochscheibe 17' zugeordnet. Der zweiten Ringspule 12“ sind ein zweiter Polkern 14“, eine zweite Polscheibe 15“, ein zweiter Mantel 16“ und eine zweite Jochscheibe 17“ zugeordnet. Figur 5 zeigt einen weiteren Längsschnitt - Schnittebene B-B in Figur 3 - durch die Hubkolbenpumpe 1 entlang der Pumpenachse 10. Die Pfeile symbolisieren den saug- und druckseitigen Strömungspfad durch die Hubkolbenpumpe 1. Durch die beiden Einlassventile, nämlich das erste Einlassventil 20' und das zweite Einlassventil 20“ wird Fluid angesaugt. Die Pfeile zeigen den Zulauf des Fluids bis zur Saugseite 7. Über das erste und zweite Einlassventil 20' und 20“verläuft der Strom des Fluids in den Pumpenraum, genauer bis in die erste Verdrängungskammer 24' und die zweite Verdrängungskammer 24“. Über das erste Auslassventil 21 ' und das zweite Auslassventil 21“ und durch den Spulenkörper 11 fließt das Fluid druckseitig über den ersten Auslasskanal 9' und den zweiten Auslasskanal 9“ bis zum Pumpenauslass 6 auf der Druckseite 8.
Figur 6 zeigt eine Detail-Schnittansicht des in Figur 5 dargestellten Längsschnittes B-B. In dieser Darstellung ist der Pumpenkolben 19 in axialer Richtung nach rechts verschoben und der zweite Verdrängungsraum 24“ im Volumen verringert und das darin befindliche Fluid somit verdichtet („oberer Totpunkt“). Der erste Verdrängungsraum 24' dagegen zeigt sein maximales Aufnahmevolumen („unterer Totpunkt“).
Die Führung des Pumpenkolbens 19 erfolgt über eine zweigeteilte Führungshülse die aus zwei kurzen Lagerbüchsen, nämlich einer ersten Lagerbüchse 23' und einer zweiten Lagerbüchse 23“ aus Lagerbronze oder andere Gleitlagerwerkstoffe besteht. Durch diese Ausführung der geteilten Lagerbüchse und Aufteilung in die erste und zweite Lagerbüchse 23‘, 23“ kann eine durchgehende, dünnwandige Führungshülse entfallen. Zudem können die beiden Lagerbüchsen, nämlich die erste Lagerbuches 23' und die zweite Lagerbüchse 23“ mit stärkeren Wandstärken ausführt werden, beispielsweise im Bereich von 1.5 bis 3mm. Der funktionsbedingt erforderliche radiale Spalt S zur magnetischen Isolierung zwischen der ersten Jochscheibe 17' bzw. der zweiten Jochscheibe 17“ und dem Pumpkolben 19 kann dennoch klein (diametrales Spiel liegt vorzugsweise im Bereich 0,03 mm - 0,06 mm) gehalten werden, was sich vorteilhaft auf den magnetischen Kreis auswirkt. Eine kostenintensive dünnwandige Edelstahlhülse, i.A. ein gezogenes Edelstahl- oder Messingrohr mit, zur Minimierung elektromagnetischer Verluste, möglichst kleiner Wandstärke - i.A. kleiner 0.4mm, idealerweise 0.2mm - kann entfallen.
Figuren 7-10 zeigen eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektromagnetisch betätigbaren Hubkolbenpumpe 1 mit integriertem Ventil 30 zur Steuerung von zwei Teilvolumenströmen, einem ersten Teilvolumenstrom QA und einem zweiten Teilvolumenstrom QB. Die konkrete Ausführung der Hubkolbenpumpe 1 ermöglich den optionalen Einsatz des Ventils 30. Alle anderen Komponenten bleiben davon unberührt und sind bereits zu den Figuren 2 bis 6 beschrieben.
Das Ventil 30 weist ein Ventilgehäuse 31 und einen Ventildeckel 32 auf.
Figur 8 zeigt in einer Stirnansicht die Anordnung des Ventils 30 an der Hubkolbenpumpe 1 .
Figur 9 zeigt in einem Schnittbild entlang der Pumpenachse 10 den Aufbau des Ventils 30. Radial gesehen innerhalb des Ventilgehäuses 31 ist ein zylindrischer Ventilkolben 33 angeordnet. Zwischen dem Ventilgehäuse 31 und dem Ventilkolben befindet sich auf der äußeren Mantelfläche des Ventilkolbens 33 eine erste Ventilfeder 34. Diese ist spiralförmig ausgebildet. Die erste Ventilfeder 34 ist eine thermosensitive Feder. Alternativ kann ein Wachselement verwendet werden. Innerhalb des Ventilkolbens 33 befindet sich eine zweite Ventilfeder 35 als Rückstellfeder des Ventils 30. Ein erster Auslass 36 befindet sich in radialer Richtung an einem Flansch, mit dem das Ventil 30 mit dem Pumpengehäuse 2 verbunden ist. Ein zweiter Auslass 37 ist axial parallel zur Pumpenachse 10 stirnseitig am Ventilgehäuse 31 angeordnet.
Die Figur 10 zeigt die Hubkolbenpumpe in einer um ihre Pumpenachse 10 gedrehten Ansicht, sodass der erste Auslass 36 in der Aufsicht auf die Figur zu erkennen ist. In der Figur 11 wurde ein Schnitt entlang der Ebene C - C in der Figur 9 gewählt, die genau mittig entlang der Achse SA zwischen der ersten Ringspule 12' und der zweiten Ringspule 12“ liegt. Man erkennt die Gehäusestege 29 die auch den ersten Auslasskanal 9' und den zweiten Auslasskanal 9“ umfassen. Man erkennt den Pumpenkolben 19 radial innerhalb des Spulenkörpers 11. Über eine erste Nut 28' für eine Drahtdurchführung sowie eine zweite Nut 28“ für die Drahtdurchführung werden die erste und zweite Ringspule 12‘, 12“ kontaktiert.
In der Figur 12 ist ein Schnitt ungefähr entlang des Ventilsitzes des ersten Auslassventils 21 ' zu sehen. Man erkennt die erste Ringspule 12' radial außerhalb der ersten Lagerbüchse 23‘. Innerhalb der ersten Lagerbüchse 23' ist der Pumpkolben 19 und das erste Auslassventil 21 ' angeordnet.
Figuren 13-15 zeigen unterschiedliche Ansichten der Doppelspulenbaugruppe 25, bestehend aus dem gemeinsamen Spulenkörper 11 und integrierten Jochscheiben, nämlich der ersten Jochscheibe 17' und der zweiten Jochscheibe 17“. Die auf dem Spulenkörper angeordneten Wicklungen der beiden Ringspulen 12‘, 12“ sind dabei nicht dargestellt.
Vorzugsweise wird die Doppelspulenbaugruppe 25 als Kunststoff- Spritzgussbauteil mit umspritzen ersten und zweiten Jochscheiben 17‘, 17“ ausgeführt. Dabei werden die erste und die zweite Jochscheibe 17‘, 17“ als Einlegeteile in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt und mit dem Spulenkörper 11 umspritzt. Die für die Öl- und Drahtführung funktional erforderlichen Freistellungen, im speziellen die mittig ausgeführte Ringnut 27, die Aussparungen für den Pumpenauslass mit einer ersten Aussparung 26' und einer zweiten Aussparung 26“, sowie die Nuten mit der ersten Nut für die Drahtdurchführung 28' und der zweiten Nut zur Drahtdurchführung 28“ können somit im Kunststoff- Spritzgussbauteil kostengünstig integriert werden.
Figur 15 zeigt in einem Schnittbild die Doppelspulenbaugruppe 25 als Kunststoffspritzgussbauteil gesamt mit den beiden umspritzten Jochscheiben, der ersten Jochscheibe 17' und der zweiten Jochscheibe 17“ sowie der mittig radial umlaufenden Ringnut 27.
Figur 16 zeigt eine isometrische Ansicht einer beispielhaften Ausführung der ersten Jochscheibe 17' mit integrierten Nuten 28‘, 28“ und für eine Umspritzung erforderliche Durchbrüchen 38 welche, aus Kostengründen, vorzugsweise als Tiefzieh-Prägeteil mit kalibriertem Innendurchmesser gefertigt wird. Die Durchbrüche 38 sind als axial verlaufende Bohrungen ausgeführt.
Figur 17 zeigt eine schematische Darstellung zur Verschaltung der beiden Elektromagnetspulen, nämlich der ersten Ringspule 12' und der zweiten Ringspule 12“ der erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe 1. Ein zweipoliger elektrischer Anschuss 40 ist über jeweils eine erste Freilaufdiode 39' und eine zweite Freilaufdiode 39“ mit der der ersten Spule 12' und der zweiten Spule 12“ verbunden.
Figur 18 zeigt eine weitere schematische Darstellung zur Verschaltung der ersten Ringspule 12' und der zweiten Ringspule 12“. Über einen dreipoligen Anschluss 41 werden die erste Ringspule 12' und die zweite Ringspule 12“ mit Spannung beaufschlagt.
Die Figuren 19a und 19b zeigen beispielhaft zwei unterschiedliche Methoden zur Steuerung der Pumpe, die sich v.a. durch die erzielbare Dynamik (max. Hubfrequenz) sowie die elektr. Leistungsaufnahme (Energieeffizienz) unterscheiden.
Die gezeigten Koordinatensysteme sind ein Strom i / Zeit t Diagramm. Der Stromverlauf ist sinus- bzw. treppenförmig mit einer Periodendauer T 43 und einer positiven sowie einer negativen Halbwelle 44‘, 44“ eingezeichnet. In Fig. 19a wird ein sinusförmig verlaufendes Stromprofil 44' aufgeprägt. In Fig. 19b ein Treppenprofil 45' mit mehreren Stromstufen i1 , i2, i3.
Die beiden Steuerungsmethoden unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich der erreichbaren Hubfrequenz sowie der Energieeffizienz (die von der Spule aufgenommene elektrische Energie entspricht der schraffierten Fläche).
Die Figuren 20 - 27 zeigen eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Hubkolbenpumpe T. Diese unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen darin, dass nicht ein gemeinsamer Spulenkörper 11 mit der ersten und zweiten Ringspule 12' und 12“ eine Doppelspulenbaugruppe 25 ausbildet, sondern dass zwei Einzelspulenbaugruppen 25' ausgeführt sind, die in dem Pumpengehäuse 2 aufgenommen sind.
Es werden zu den Figuren 20- 27 nur die Unterschiede im Verhältnis zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe 1 beschrieben. Gleiche Bauteile haben gleiche Bezugszeichen.
Die Figuren 20 und 21 zeigen die weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe T in zwei unterschiedlichen Längsschnitten (Drehung um 90 Grad)
Die Hubkolbenpumpe T ist mit zwei Einzelspulenbaugruppen 25' ausgeführt. Die beiden Einzelspulenbaugruppen weisen jeweils eine Ringspule nämlich die erste Ringspule 12' bzw. die zweite Ringspule 12“ auf, die jeweils separat an einem Spulenkörper angeordnet sind. Das heißt die erste Ringspule 12' ist an einem ersten Spulenkörper 1 T und die zweite Ringspule 12“ ist an einem zweiten Spulenkörper 11 “ angeordnet. Die weiteren, für den jeweiligen elektromagnetischen Kreis erforderlichen Weicheisen-Komponenten (elektromagnetischen Aktivteile), Polkern, Polscheibe, Mantel und Jochscheibe sind für die erste und die zweite Ringspule 12‘, 12“ identisch ausgeführt.
Die beiden Einzelspulenbaugruppen 25' in Figur 20 und 21 sind vorzugsweise symmetrisch aufgebaut (Gleichteile). Der Einfachheit halber wird nachfolgend anhand der Figuren 22 - 27 nur eine der beiden Einzelspulenbaugruppen 25' gezeigt und beschrieben.
Die beiden vormontierten Einzelspulenbaugruppen 25' die in den Figuren 24, 25, 27 dargestellt sind, werden in der erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe 1 ' symmetrisch verbaut, wodurch eine kostengünstige Herstellung möglich wird. Zusätzliche Bauteile, wie Distanzringe zur Positionierung der Spulenbaugruppe, können entfallen.
Figur 22 zeigt eine isometrische Ansicht des ersten Spulenkörpers 11 ' mit integrierter erster Jochscheibe 17‘. Der erste Spulenkörper 11 ' ist vorzugsweise als Kunststoff-Spritzgussbauteil ausgeführt. Es ist sowohl möglich die erste Jochscheibe 17' als Einlegeteile auszuführen und bei dem Spritzgießprozess mit dem ersten Spulenkörper 11' mit zu umspritzen. Es ist allerdings auch eine mehrteilige Ausführung des Spulenkörpers und der Jochscheibe möglich.
Figur 22 zeigt des Weiteren die Ausbildung von radial verlaufenden Aussparungen 26‘, 26“.
Figur 23 zeigt eine Stirnansicht (Ansicht A in Figur 22) des ersten Spulenkörpers 11 ' mit integrierter erster Jochscheibe 17‘. Die radial verlaufenden Aussparungen 26‘, 26“ sowie die Nuten für die Drahtdurchführungen 28 sind ersichtlich.
Aus der Schnittdarstellung der Figur 21 ist ersichtlich, dass die aneinandergefügten beiden Einzelspulenbaugruppen 25' mittig im Bereich der gegenüberliegenden ersten und zweiten Jochscheiben 17‘, 17“ eine umlaufende Ringnut 22 bilden. Durch den die umlaufende Ringnut 22 bildenden Bund und die radial verlaufenden Aussparungen 26‘, 26“ wird eine vorteilhafte Ölführung und Durchströmung der Hubkolbenpumpe 1 ' von radial innen nach radial außen ermöglicht.
Figur 24 zeigt eine isometrische Ansicht eines Zusammenbaus einer Einzelspulenbaugruppe 25' der in Figur 20 und 21 dargestellten Ausführungsform der Hubkolbenpumpe 1 ‘.
Figur 25 zeigt eine Stirnansicht des Zusammenbaus der Einzelspulenbaugruppe 25‘.
Figur 26 zeigt eine Schnittansicht des in Figur 22 und 23 dargestellten Spulenkörpers 11' mit integrierter Jochscheibe 17‘.
Figur 27 zeigt eine Schnittansicht des Zusammenbaus der Einzelspulenbaugruppe 25' mit erstem Spulenkörper 11 ‘, erster Jochscheibe 17‘, erstem Mantel 16‘, erster Polscheibe 15‘, erster Polkern 14' sowie erstem Einlassventil 20‘.
Figur 28 zeigt einen Detailausschnitt im Bereich der Gleitflächen zwischen Pumpkolben 19 und Jochscheiben 17‘, 17“. Bei dieser Ausführungsform ist der Pumpkolben 19 ohne Zwischenschaltung einer zweigeteilten Führungshülse direkt in den Jochscheiben 17‘, 17“ axial verschieblich geführt. Die axiale Verschiebbarkeit ist durch den Doppelpfeil angezeigt.
Der Pumpkolben 19 sowie die Jochscheiben 17‘, 17“ bestehen aus einem gut magnetisch leitenden Material. Dieses Material hat eine hohe relative Permeabilität. Als Material wird beispielsweise Eisen (Fe), Ferrosilicium (FeSi) oder ein Automatenstahl (11 SMn30) eingesetzt. Der Pumpkolben 19 ist auf seiner äußeren Mantelfläche 19a mit einer magnetisch isolierenden Beschichtung 19b versehen. Diese Beschichtung 19b weist außerdem eine hohe Verschleißbeständigkeit und gute Gleiteigenschaften auf. Als Material für die Beschichtung wird vorteilhafterweise Teflon oder einer Chromnitrid-Beschichtung verwendet. Die Beschichtung hat insbesondere eine Schichtstärke von 25 bis 100 pm. Bei einer Axialbewegung des Pumpkolbens 19 gleitet der Pumpkolben 19 mittels der Beschichtung 19b auf seiner äußeren Mantelfläche 19a auf den inneren Mantelflächen 17a‘, 17a“ der ersten und zweiten Jochscheibe 17‘, 17“.
Alternativ zu dieser Ausführungsvariante kann die Beschichtung 19b auch auf der radial gegenüberliegenden Seite der Führung, nämlich auf den inneren Mantelflächen 17a‘ und 17a“ der Jochscheiben aufgebracht sein.
In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform kann der Pumpkolben 19 auch im Spulenkörper, der aus Kunststoff z.B. PPS + 50 GF / MD ausgeführt ist, unmittelbar gleitend geführt werden. Bei dieser Ausführungsvariante ist eine Beschichtung der äußeren Mantelfläche des Kolbens, mit einem Material, welches magnetisch isolierende Eigenschaften aufweist, nicht erforderlich.
Figur 29 zeigt einen Detailausschnitt im Bereich der Gleitflächen nach der ersten Ausführungsform, bei der der Pumpkolben 19 in der zweigeteilten Führungshülse axial verschieblich geführt ist. Die zweigeteilte Führungshülse ist als erste und zweite Lagerbüchse 23' und 23“ ausgeführt. Die axiale Verschiebbarkeit ist durch den Doppelpfeil angezeigt.
Der Pumpkolben 19 sowie die erste und zweite Lagerbüchse 23‘, 23“ bestehen aus einem gut magnetisch leitenden Material. Dieses Material hat eine hohe relative Permeabilität. Als Material wird beispielsweise Eisen (Fe), Ferrosilicium (FeSi) oder ein Automatenstahl (11SMn30) eingesetzt.
Die erste und zweite Lagerbüchse 23‘, 23“ sind vorzugsweise dickwandig mit einer Wandstärke von 1 - 3 mm ausgeführt. Der Pumpkolben 19 ist auf seiner äußeren Mantelfläche 19a mit einer magnetisch isolierenden Beschichtung 19b versehen. Diese Beschichtung 19b weist außerdem eine hohe Verschleißbeständigkeit und gute Gleiteigenschaften auf. Als Material für die Beschichtung wird vorteilhafterweise Teflon verwendet. Die Beschichtung hat insbesondere eine Schichtstärke von 25 bis 100 pm.
Bei einer Axialbewegung des Pumpkolbens 19 gleitet der Pumpkolben 19 mittels der Beschichtung 19b auf seiner äußeren Mantelfläche 19a auf den inneren Mantelflächen 23a‘, 23a“ der ersten und zweiten Lagerbüchse 23‘, 23“.
Alternativ zu dieser Ausführungsvariante kann die Beschichtung 19b auch auf der radial gegenüberliegenden Seite der Führung, nämlich auf den inneren Mantelflächen 23a‘ und 23a“ der Jochscheiben aufgebracht sein.
Die zuvor zu den Figuren 28 und 29 beschriebenen Ausführungsvarianten haben den Vorteil, dass der Eisenanteil im Magnetkreis erhöht wird, was zu einer höheren Leistungsdichte führt und die Wirbelstromverluste minimiert.
Als weitere alternative Ausführungsform ist es auch Folgende Ausgestaltung möglich. Der Pumpkolben 19 ist in der zweigeteilten Führungshülse axial verschieblich geführt ist. Die zweigeteilte Führungshülse ist als erste und zweite Lagerbüchse 23' und 23“ ausgeführt.
Der Pumpkolben 19 besteht aus einem gut magnetisch leitenden Material. Dieses Material hat eine hohe relative Permeabilität. Als Material wird beispielsweise Eisen (Fe), Ferrosilicium (FeSi) oder ein Automatenstahl (11 SMn30) eingesetzt.
Die zweigeteilte Führungshülse in der Ausgestaltung einer ersten und zweiten Lagerbüchse 23‘, 23“ sind aus einem magnetisch isolierenden Material ausgeführt, welches eine geringe relative Permeabilität (pr~ 1 ) aufweist. Als Material wird beispielsweise Aluminium (AI), (EN AW 6062), Edelstahl oder Messing eingesetzt. Der Pumpkolben 19 ist auf seiner äußeren Mantelfläche 19a mit einer magnetisch isolierenden Beschichtung 19b versehen. Diese Beschichtung 19b weist außerdem eine hohe Verschleißbeständigkeit und gute Gleiteigenschaften auf. Als Material für die Beschichtung wird vorteilhafterweise Teflon verwendet. Die Beschichtung hat insbesondere eine Schichtstärke von 25 bis 100 pm.
Bei einer Axialbewegung des Pumpkolbens 19 gleitet der Pumpkolben 19 mittels der Beschichtung 19b auf seiner äußeren Mantelfläche 19a auf den inneren Mantelflächen 23a‘, 23a“ der ersten und zweiten Lagerbüchse 23‘, 23“.
Alternativ zu dieser Ausführungsvariante kann die Beschichtung 19b auch auf der radial gegenüberliegenden Seite der Führung, nämlich auf den inneren Mantelflächen 23a‘ und 23a“ der Jochscheiben aufgebracht sein.
Bezugszeichen
I , 1 ‘ Hubkolbenpumpe
2 Pumpengehäuse
3 Pumpendeckel
4 Stecker, elektrischer Anschluss
5 Pumpeneinlass
6 Pumpenauslass
7 Saugseite
8 Druckseite
9‘, 9“ erster Auslasskanal, zweiter Auslasskanal
10 Pumpenachse
II , 11 ‘, 11“ Spulenkörper, erster Spulenkörper, zweiter Spulenkörper
12‘, 12“ erste Ringspule, zweite Ringspule
14‘, 14“ erster Polkern, zweiter Polkern
15‘, 15“ erste Polscheibe, zweite Polscheibe
16‘, 16“ erster Mantel, zweiter Mantel
17‘, 17“ erste Jochscheibe, zweite Jochscheibe
18‘, 18“ erstes elastisches Element, zweites elastisches Element
19 Pumpenkolben
19a äußere Mantelfläche
20‘, 20“ erstes Einlassventil, zweites Einlassventil
21 21“ erstes Auslassventil, zweites Auslassventil
22 Ringnut
23‘, 23“ erste Lagerbüchse, zweite Lagerbüchse
23a‘, 23a“ innere Mantelflächen
24, 24‘, 24“ Verdrängerkammer, erste Verdrängerkammer, zweite Verdrängerkammer
25 Doppelspulenbaugruppe
25‘ Einzelspulenbaugruppe 26‘, 26“ erste Aussparung, zweite Aussparung
27 Ringnut
28‘, 28“ erste Nut für Drahtdurchführung, zweite Nut für Drahtdurchführung
29 Gehäusestege
30 Ventil
31 Ventilgehäuse
32 Ventildeckel
33 Ventilkolben
34 Erste Ventilfeder,
35 Zweite Ventilfeder,
36 Erster Auslass
37 Zweiter Auslass
38 Durchbruch
39‘, 39“ erste Freilaufdiode, zweite Freilaufdiode
40 Elektrischer Anschluss (2polig)
41 Elektrischer Anschluss (3-polig)
42 Arbeitshub
43 Periodendauer
44 erstes Strom profil
44' erstes Stromprofil (positive Halbwelle)
44“ erstes Stromprofil (negative Halbwelle)
45 zweites Stromprofil
45‘ zweites Stromprofil (positives Signal)
45“ zweites Stromprofil (negatives Signal)
QA Erster Teilvolumenstrom
QB Zweiter Teilvolumenstrom

Claims

Ansprüche
1. Hubkolbenpumpe (1 , 1 ‘) mit einem fluiddurchströmten Pumpengehäuse (2) und einer Pumpenachse (10), und einem, koaxial zu zwei gehäusefesten Ringspulen, nämlich einer ersten Ringspule (12‘) und einer zweiten Ringspule (12“) angeordneten, axial beweglichen und fluiddurchströmten Pumpkolben (19), wobei die Hubkolbenpumpe (1 ) zwei Einlassventile, nämlich ein erstes Einlassventil (20‘) und ein zweites Einlassventil (20“) und zwei Auslassventile, nämlich ein erstes Auslassventil (21 ') und ein zweites Auslassventil (21“) aufweist, wobei das erste Einlassventil (20‘) und das erste Auslassventil (21 ') konzentrisch zur Pumpenachse (10) radial innerhalb der ersten Ringspule (12‘) und das zweite Einlassventil (20‘) und das zweite Auslassventil (2T) konzentrisch zur Pumpenachse (10) radial innerhalb der zweiten Ringspule (12“) angeordnet sind und der Pumpkolben (19) in einer zweigeteilten Führungshülse oder direkt im Pumpengehäuse (2) angeordneten Jochscheiben (17‘, 17“) in einer zweigeteilten Verdrängerkammer geführt ist.
2. Hubkolbenpumpe (1 , 1 ‘) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpkolben (19) die Funktion eines beweglichen Ankers und eines Förderkolbens integriert.
3. Hubkolbenpumpe (1 , 1‘) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass radial innerhalb des Pumpengehäuses (2) die erste Ringspule (12‘) und die zweite Ringspule (12“) auf einem gemeinsamen eine Doppelspulenbaugruppe (25) bildenden Spulenkörper (11 ) angeordnet sind.
4. Hubkolbenpumpe (1 , 1‘) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass radial innerhalb des Pumpengehäuses (2) zwei Einzelspulenbaugruppen (25‘) ausgeführt sind, wobei jede Einzelspulenbaugruppe jeweils eine Ringspule und einen separaten Spulenkörper aufweist.
5. Hubkolbenpumpe (1 , T) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelspulenbaugruppe (25) oder die Einzelspulenbaugruppen (25‘) des Weiteren als elektromagnetisches Aktivteile, eine der ersten Ringspule (12‘) zugeordnete erste Jochscheibe (17‘) und eine der zweiten Ringspule (12“) zugeordnete zweite Jochscheibe (17“) aufweist.
6. Hubkolbenpumpe (1 , T) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Jochscheibe (17‘, 17“) aus einem gut magnetisch leitenden Material, mit einer hohen relativen Permeabilität ausgeführt ist, wobei das Material vorzugsweise Eisen (Fe), Ferrosilicium (FeSi) oder ein Automatenstahl (11 SMn30) ist.
7. Hubkolbenpumpe (1 , T) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Jochscheibe (17‘, 17“) mit dem gemeinsamen Spulenkörper (11 ) oder den zugeordneten separaten Spulenkörpern (11 ‘, 11 “) in einem Spritzgießverfahren durch Umspritzung verbunden sind.
8. Hubkolbenpumpe (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Jochscheibe (17‘, 17“) und der gemeinsame Spulenkörper (11 ) oder die zugeordneten separaten Spulenkörper (11', 11 “) und die Jochscheiben (11 ', 11 ‘) mehrteilig ausgeführt sind.
9. Hubkolbenpumpe (1 , T) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere gehäusefeste elektromagnetische Aktivteile der ersten Ringspule (12‘) ein erster Polkern (14‘), eine erste Polscheibe (15'), ein erster Mantel (16‘) und der zweiten Ringspule (12“) ein zweiter Polkern (14“), eine zweite Polscheibe (15“), ein zweiter Mantel (16“) zugeordnet sind.
10. Hubkolbenpumpe (1 , T) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Ringspule (12‘, 12“) mit zugeordneten elektromagnetischen Aktivteilen, insbesondere der ersten und zweiten Jochscheibe (17‘, 17“) identisch ausgeführt und achsensymmetrisch auf dem Spulenkörper (11 ) angeordnet sind oder dass die Einzelspulenbaugruppen (25‘) symmetrisch aufgebaut sind.
11 . Hubkolbenpumpe (1 , T) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpkolben (19) aus einem gut magnetisch leitenden Material, mit einer hohen relativen Permeabilität ausgeführt ist, wobei das Material vorzugsweise Eisen (Fe), Ferrosilicium (FeSi) oder ein Automatenstahl (11 SMn30) ist.
12. Hubkolbenpumpe (1 , T) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweigeteilte Führungshülse aus einer ersten Lagerbüchse (23‘) und einer zweiten Lagerbüchse (23“) besteht, wobei die erste und zweite Lagerbüchse (23‘, 23“) aus einem gut magnetisch leitenden Material, mit einer hohen relativen Permeabilität ausgeführt ist, wobei das Material vorzugsweise Eisen (Fe), Ferrosilicium (FeSi) oder ein Automatenstahl (11 SMn30) ist, und wobei weiter vorteilhaft die Lagerbüchsen (23‘, 23“) dickwandig mit einer Wandstärke von 1 -3mm ausgebildet sind.
13. Hubkolbenpumpe (1 , T) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweigeteilte Führungshülse aus einer ersten Lagerbüchse (23‘) und einer zweiten Lagerbüchse (23“) besteht, wobei die erste und zweite Lagerbüchse (23‘, 23“) aus einem magnetisch isolierenden Material mit geringer relativer Permeabilität (pr~ 1 ) ausgeführt sind, wobei das Material vorzugsweise Aluminium (AI), (EN AW 6062), Edelstahl oder Messing ist.
14. Hubkolbenpumpe (1 , T) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpkolben (19) auf seiner äußeren Mantelfläche (19a) oder die erste und zweite Lagerbüchse (23‘, 23“) auf ihren inneren Mantelflächen (23a‘, 23a“) mit einer magnetisch isolierenden Beschichtung (19b) vorzugsweise Teflon oder Chromnitrid ausgeführt sind, wobei die Beschichtung weiter vorteilhaft eine Schichtstärke von 20bis 100 pm umfasst.
15. Hubkolbenpumpe (1 , 1‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil (30) ausgangsseitig an der Hubkolbenpumpe (1 , 1 ') angeflanscht ist und zwei Wege für den Volumenstrom des Fluids zur Verfügung stellt.
16. Hubkolbenpumpe (1 , T) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einlassseitige Strömung auf der Saugseite mittels einer Leiteinrichtung, welche das Fluid in radialer und axialer Richtung definiert um die Mantelfläche des Pumpengehäuses (2) und in der Folge zu dem ersten und zweiten Einlassventil (20‘, 20“) führt, geführt wird.
17. Verfahren zum Steuern einer Hubkolbenpumpe (1 , T) nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Pumpenkolbens (19) über Stromprofile (44, 45) mit positiven und negativen Strompulsen erfolgt.
18. Verfahren zum Steuern einer Hubkolbenpumpe (1 , T) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine hydraulische Endlagendämpfung durch eine weggesteuerte Blendengeometrie am Pumpkolben (19) erfolgt.
19. Verfahren zum Steuern einer Hubkolbenpumpe (1 , T) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektromagnetische Dämpfung durch ein Stromprofil (44, 45) der Bestromung der ersten und zweiten Ringspule (12‘, 12“) erfolgt.
20. Verfahren zum Steuern einer Hubkolbenpumpe (1 , T) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein kurzzeitiger Überlastbetrieb möglich ist.
21. Verfahren zum Steuern einer Hubkolbenpumpe (1 , T) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktive Verteilung des Förderstroms über ein thermosensitives Element erfolgt.
22. Verfahren zum Steuern einer Hubkolbenpumpe (1 , T) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spulenheizung für ein verbessertes Tieftemperatur-Startverhalten eingesetzt wird.
23. Verfahren zum Steuern einer Hubkolbenpumpe (1 , 1 ‘) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fluidsumpftemperaturmessung über einen Spannungsabfall an der ersten Ringspule (12‘) und/oder der zweiten Ringspule (12“) erfolgt.
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