DE3033684A1

DE3033684A1 - Kolbenpumpe mit elektromagnetischem antrieb

Info

Publication number: DE3033684A1
Application number: DE19803033684
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr.-Ing. 7000 Stuttgart Binder; Theodor Prof. Dr.-Ing. 1000 Berlin Gast
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-09-08
Filing date: 1980-09-08
Publication date: 1982-04-29
Also published as: GB2084408B; FR2489893A1; GB2084408A

Description

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5·9·1980 Lr/Hrn

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

Kolbenpumpe mit elektromagnetischem Antrieb

Kolbenpumpen mit mechanischem Antrieb sind bereits seit der Antike bekannt. Betätigung und Dampfkraft wurde vor allem im Bergbau und bei Lokomotiven verwendet. Elektrische Betätigung von Kolbenpumpen geschieht meist auf dem Umweg über die Drehbewegung mittels Elektromotoren. Es gibt auch Pumpen mit elektromagnetisch angetriebenem schwingendem Kolben, die als Reziprotor-Kompressoren bekannt sind.

Bei diesen Pumpen wird die Antriebskraft in eisengeschlossenen Systemen dadurch erzeugt, daß der Kolben selbst oder ein mit ihm verbundenes ferromagnetisches Kraftlinienleitstück in den magnetischen Kreis einbezogen ist und durch seine Position dessen magnetischem Widerstand beeinflußt.

Nachteilig sind der schlechte Wirkungsgrad und die hohe elektrische Zeitkonstante. Diese begrenzt die Hubfrequenz. Für schnelle Pump- oder Spritzvorgänge z.B. bei einer Verwendung als Einspritzpumpe im Kraftfahrzeug bedeutet dies eine unerwünschte Einschränkung.

Erfindungsgemäß werden die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen vorgeschlagen, durch welche die Kachteile vermieden werden und darüber hinaus grundsätzlich eine Steuerung von Geschwindigkeit und Position der, FToI ben 5 nach vorgegebenen "eitgesetzen möglich wird.

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Bei nicht durchbohrtem Zylinder kann diese einseitig f.erichtet<&. Strömung auch durch einen Kanal mit Rückschlagventil erzeugt werden, der durch den ruhenden Pumpenteil führt und die zylindrischen Hohl räume vor den ΚοΊΙημιγ. l.i rnflächen verbindet.

Sie besteht gemäß Figur 1 aus den koaxialen, schalenförmigen Eisenkernen 1 und 2, mit den Wicklungen 3 und h und dem gemeinsamen ringförmigen Kraftlinienleitstück 5. Zwischen die durchbohrten zentralen Pole der Kerne 1, 2 ist eine unmagnetische Laufbuchse 6 eingesetzt, die in die Bohrung des Leitstücks 5 paßt. Der so entstehende zylindrische Raum zwischen den Polflächen von 1 und 2 wird weitgehend durch den aus ferromagnetischem Material hoher Remanenz und Koerzitivkraft z.B. Kobald-Samarium, hergestellten Kolben 7 ausgefüllt, in dessen mit konischem Sitz 10 versehener Bohrung 11 sich die unmagnetische Ventilkugel 8 befindet. Die Verbindung des zylindrischen Pumpenraumes über dem Kolben mit dem zylindrischen Raum unter dem Kolben kann auch über einen Kanal durch den ruhenden Pumpenteil mit eingefügtem Rückschlagventil erfolgen. Ein Rückschlagventil in der Zuleitung verhindert einen Flüssigkeitsrückfluß zur Quelle. Zwei Ring- -Scheiben 9 aus unmagnetischen Material an den Stirnflächen des Kolbens verhindern magnetisches Kleben des Kolbens 7 an den Polflächen der Kerne 1 und 2.

Wenn der Kolben unter dem Einfluß von Erreger strömen durch die Spulen 3 und k bewegt werden soll, so kommen zwei Arten der Magnetisierung in Betracht, die in Figur 2 und 3 schematisch dargestellt sind. Im ersten Fall gemäß Figur ist der Kolben 7 durchgehend magnetisiert und die Spulen sind derart geschaltet, daß die Polflächen der Elektromagnete gleichnamig sind, wenn Spannung anliegt. Dann tritt an einen der Enden des Kolbens 7 Anziehung, am anderen Ende Abstoßung ein und es resultiert eine Kraft K, deren Richtung von der Polung der Spannungsquelle abhängt.

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Eine genäherte quantitative Betrachtung ergibt für die Anziehungskraft in mittlerer Stellung des Kolbens

F=F=C __
ou K

worin der vom magnetisierten Kolben erzeugte Fluß ist und C eine Konstante bedeutet. Die obere und untere Anziehungskraft sind gleich groß und entgegengesetzt gerichtet, so daß sie sich aufheben. Wird nun durch die Elektromagnete jeweils ein zusätzlicher Fluß , erzeugt, so addiert sich dieser am einen Ende zum eingeprägten Fluß des Magneten, während er sich am anderen Ende von jenem subtrahiert. Es entstehen Kräfte

F/

deren Resultierende durch

F = ρ ^x - F ^x = k cfctf.

ο u ' K st

gegeben ist.

Diese Kraft ist proportional zum Zusatzfluß 0 und kehrt

S "C

mit diesem auch ihr Vorzeichen um. Der Faktor 0,_r zeigt,

daß durch den Permanentmagneten elektrische Leistung gespart und - wegen des geringen Zusatzflusses bei erhöhtem eingeprägten Fluß, wie er besonders bei den modernen Hochleistungsmagnetwerkstoffen erzielt werden kann, auch die Zeitkonstante verringert wird.

Im zweiten Fall nach Figur 3 sind die beiden Hälften des Kolbens T gegenläufig magnetisiert, so daß dessen Stirnflüchen gleichnamig sind. Die Spulen 3, H der Elektromag-

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nete 1, 2 sind so geschaltet, daß die Polflächen der Elektro magneten ungleichnamig werden, wenn ein Steuerstrom fließt. Auch hier addiert sich der Steuerfluß am einen Ende des Magneten zu dem eingeprägten Eigenfluß, während er sich am anderen Ende von diesem subtrahiert. In mittlerer Stellung entsteht daher wieder eine zum Steuerfluß proportionale Kraft.

Bei den neuen hochkoersitiven Magnetwerkstoffen ist die relative Permeabiltät nur wenig höher als 1. Daher bildet sich zwischen den Polen der Elektromagnete 1, 2 und dem ringförmigen Kraftlinienwerkstück der in Figur k skizzierte Kraftlinienverlauf, bei dem innerhalb des permamenten Magneten ein inhomogenes Zusatzfeld besteht. Hierdurch wird die resultierende Kraft gegenüber einem homogenen Feld vermindert. Das Feld im permanentmagnetischen Kolben läßt sich durch Einfügen einer Scheibe aus weichmagnetischen Material in den Kolben homogenisieren, so daß die erzielbare Antriebskraft erhöht wird. In Figur 5 ist dieser Sachverhalt schematisch dargestellt. Aus dem Kraftlinienleitstück 5 treten die Linien der magnetischen Induktion radial in die schraffiert gezeichnete Scheibe ein. Aus dieser treten sie axial gerichtet aus und durchsetzen nun - abgesehen von einer gewissen Streuung, die in Figur 5 nicht berücksichtigt ist - die permanentmagnetischen Zylinderstücke 13 und 1H ebenfalls im wesentlichen axial, so daß sie, wie zuvor normal in die Polflächen der Elektromagneten 1, 2 eintreten.

Die lineare Abhängigkeit der Antriebskraft des Kolbens vom Strom, insbesondere die mögliche Umkehr der Kraftrichtung erlaubt es, den zeitlichen Verlauf der Kolbenbewegung durch vorgegebenen Stromverlauf zu steuern. So kann z.B. ein zeitlinearer Verlauf durch einen Regelvor-

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gang erzwungen werden, bei dem die Geschwindigkeit des Kolbens konstant gehalten wird. Als Signal für die Geschwindigkeit kommt die vom "bewegten magnetischen Kolben induzierte Spannung in Betracht. Diese läßt sich mit Hilfe von Kunststschaltungen extrahieren und als Eingangssignal einpr Schaltung zur Steuerung des Spulenntroms benützen, wie ilios in t'iyuj· f> tingeduutul. 1 r. L. Der Krregerstrom fließt in die Wicklungen 3 und k der Elektromagnete über die Steuereinrichtung 1S und die Mxtraktionsschaltung In 1 6 wird das Signal w. für die Momentangeschwindigkeit des Kolbens gebildet. Die Differenz zwischen w.

ist

und dem Sollwert der Geschwindigkeit w ^₁ steuert die Einrichtung 15.

Grundsätzlich kann das Signal w. auch mit einer getrenn-

ist

ten Wicklung erhalten werden, in der die Bewegung des magnetisierten Kolbens eine geschwindigkeitsproportionale Spannung induziert.

Wird dieses Signal elektrisch integriert, so ergibt sich ein Positionssignal. Durch dessen Rückführung gemäß Figur T in die Steuereinrichtung 15 für den Erregerstrom kann eine gewünschte Position angefahren werden. Hierzu ist im gewählten Beispiel die Sensorwicklung 17 vorgesehen, die den Integrator 18 ansteuert und, mittelbar über diesem, das Positionssignal s. liefert. Nach Subtraktion des Sollwertes s des Sollwertes der Position gelangt das Signal an die Steuereinrichtung 15, die z.B. als PD-Regler ausgebildet sein kann, und nimmt dadurch Einfluß auf den Erreger strom . Hierdurch wird die willkürliche Einstellung einer·, bent, i mmi.en Hubvolumen r- der Pumpe möp;lich und ■/.WM. 1· wulilwoi r.i ο im Vorlauf oder Rücklauf. Statt durch Inte-

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gration des Geschwindigkeitssignals läßt sich die Position auch mit anderen Mitteln der Längemeßtechnik, z.B. trägerfrequent, induktiv, galvanognetisch oder optisch messen.

Claims

ROBERT BOSCH GMBH₅ 7000 Stuttgart 1

Ansprüche

Ii y Elektromagneti sch betätigte, einseitig wirkende Kol"benpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (T) als durchbohrter Zylinder aus ferromagnetischem Material hoher Remanenz und Koerzitivkraft z.B. Kobalt-Samarium, ausgeführt und permanent axial magnetisiert ist und sich in einer Laufbüchse (6) aus unmagnetischem Material zwischen den Polen von zwei koaxial gestalteten Elektromagneten (1, 2) unter dem Einfluß eines Erreger Stroms hin- und herbewegt, wobei der magnetische Kreis jeweils über ein gemeinsames radial zur Mitte des Kolbens gerichtetes Kraftlinienleitstuck (5) geschlossen ist und wobei vorzugsweise ein in der axialen Längsbohrung (11) des Kolbens befindliches Ventil (8) für eine einseitig gerichtete Strömung sorgt.

2. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (7) durchgehend in einer Richtung axial magnetisiert ist und die Wicklungen (3, M der beiden Elektromagnete (1, 2) so geschaltet sind, daß bei Stromfluß zwei zueinander gleichnamige Pole gegenüber den Stirnflächen des Kolbens (7) entstehen.

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3. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (7) zwei in entgegengesetzter Richtung axial magneti sierte Hälften (13, 1M besitzt, denen bei Erregung der Elektromagnete (1, 2) zwei einander ungleichnamige Pole frontal gegenüber stehen.

U. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte des Kolbens (7) eine Scheibe (12) aus weichmagnetischem Material eingefügt ist, die sich innerhalb vorzugsweise des ringförmig ausgebildeten KraftlinienleitStückes (5) befindet und eine bessere Ausnutzung des permanentmagnetischen Materials gestattet.

5. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis h, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom durch die Spulen (3, h) iltr IC Ί '-klromagneloii (1, 2) mitl.olr, einer elektronischen Schaltung in einer Weise gesteuert wird, die einen gewünschten Ablauf der Kolbenbewegung erzeugt.

6. Kolbenpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 5₅ dadurch gekennr.e i chnet , daß ;i.ln Ein(jan/;r;größp der elektronischen L''Challung eine Spannung dient, die in den Wicklungen (3, M durch die Bewegung des Magneten (7) induziert wird und ein Maß für dessen Momentangeschwindigkeit ist.

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T. Kolbenpumpe nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Kolbengeschwindigkeitssignals eine getrennt Wicklung vorgesehen ist.

8. Kolbenpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Geschwindigkeitssignal durch elektrische Integration in ein Posititionssignal überführt und dieses zur Steuerung des Kolbenhubs benutzt wird.