SE522949C2 - Elektrohydrauliskt ställdon - Google Patents

Description

- u .vv- 4 axon: 10 15 20 25 30 LH ~ 2 2 9 4 9 932SEprio 2 sådant nämnt hydrauliskt manövreringssystem på ett flygplan eller i och för sig i vilken teknisk maskin som helst. Det finns en tendens inom tekniken idag att man skulle vilja ersätta ett centralt hydrauliskt system med elektriska system. Detta har dock ännu ej låtit sig göras, då det saknas ställdon som kan användas för det ändamålet.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Enligt en aspekt av uppfinningen framläggs ett elektrohydrauliskt ställdon som utgörs av en hydraulisk arbetscylinder med en kolv som driver en kolvstång och som erhåller sitt tryck för uppbyggnad av en kolvpåverkande kraft genom en med arbetscylindern integrerad hydraulpump som drivs med en linjär elektisk motor.

Hydraulpumpen innefattar en pumpcylinder i vilken löper en pistong med bestämd frekvens i en fram- och återgående rörelse inuti pumpcylindern. Pistongens rörelse styrs genom att pistongen utgör ankaret hos en linjär elektrisk motor, där motorns statorlindning är anordnad runt pump- cylindem. Pistongen fungerar vidare som pumpkolv för att pumpa hydraulvätska till arbetscylin- dern. En ytterligare finess är att pistongen fungerar som ventil för att stänga och öppna tryck- resp sugkanaler för hydraulvätska till arbetscylindem vid pistongens fram- och återgående rörel- se. Genom att pumpa hydraulvätska med hög frekvens kan högt tryck byggas upp och stor kraft fås att verka på kolven i cylindern, även om hydraulpumpen har små dimensioner.

I vardera änden av pumpcylindem är en spole anordnad, där spolens syfte är att vrida pistongen ett halv varv runt pumpcylinderns centrumaxel. Härvid tillses att funktionen hos den med hyd- raulvätska fyllda sug- resp tryckkanalen som löper mellan pumpcylindern och arbetscylindern inte omkastas vid varje slag hos pistongen, där denna vid varje nytt slag byter slagriktning.

Tryckkanalen har av denna anledning försetts med åtminstone två utlopp och sugkanalen med åtminstone två inlopp. En första öppning till tryckkanalen som vid pistongens rörelse i en första riktning används som utlopp kommer på grund av pistongens funktion som ventil på grund av pistongens rotation ett halvt varv kring centrumaxeln att vid pistongens rörelse i en andra riktning att stängas samtidigt som en andra öppning till tryckkanalen öppnas och används som ett andra utlopp. På motsvarande sätt finns en första öppning till su gkanalen som vid pistongens rörelse i en första riktning används som inlopp och som på grund av pistongens funktion som ventil på grund av pistongens rotation ett halvt vaw kring centrumaxeln att vid pistongens nrnø» 10 15 20 25 s o o ø o n t, I :n :.._ ._ _. _.._ _.._ _.._: i 947 -.__: ::: :.: ::.§.. 932SEprio 3 ' ' ' ' ' rörelse i den andra riktningen att stängas samtidigt som en andra öppning till sugkanalen öppnas och används som ett andra inlopp. På detta sätt samverkar pistongens slag till att bygga upp ett önskat hydrultryck på kolvens ena sida i arbetscylindern oberoende av i vilken riktning pistong- slaget går. Vridningen av pistongen medelst spolarna vid pumpcylinderns ändar sker i princip som i en stegmotor. I princip kan ett flertal in- och utloppskanaler vara fördelade runt pump- cylindems periferi i ett regelbundet arrangemang, exempelvis för var 120:e grad med pistongens kaviteter anpassade till denna distribution av kanalerna, vilket medför att pistongen härvid endast behöver stegas fram en tredjedels varv mellan varje slag.

Genom den höga arbetsfrekvensen och stort areaförhållande mellan arean hos kolven i arbets- cylindern och pistongens area erhålls en hög kraftutväxling mellan pump och kolv. Detta leder till att stora ställkrafter kan åstadkommas från ett mycket utrymmessnålt och viktseffektivt manövreringsorgan i form av det beskrivna ställdonet. Som en följd härav blir det möjligt att åstadkomma ett distribuerat system av lokala hydrauliska ställdon i en anläggning såsom i en farkost för manövrering av rörelser hos mekaniska element, där ställdonen drivs och styrs elektriskt. Härigenom undviks tidigare enligt känd teknik nämnda behov av ett nätverk av hydraulledningar och tillhörande centrala hydraulsystem.

I de användnin gar där ett mekaniskt element, t ex ett vingroder, som manövreras av ställdonet påverkas av yttre krafter, så att elementet tvingas tillbaka till ett neutralläge kan de yttre kraft- erna utnyttjas för regenerativ återrnatning av effekt till den elektriska matningen av ställdonet.

Härvid minskar kylbehovet av hydraulvätskan i ställdonet, vilket bidrar till anläggningens energieffektivitet.

Den linjära motorns huvudlindning, dvs dess statorlindning, kan utgöras av en enkel lindning men utförs med fördel som en flerfasig lindning. Härigenom åstadkommer man ökade möjlig- heter till styrning av krafter under pistongens slag i resp riktning och därvid möjlighet till opti- mering av ställdonets verkningsgrad.

Lindningsströmmen styrs av strömriktare som med fördel är integrerade med hydraulpumpen enligt exempelvis kända integralmotorkoncept.

I det läge där man önskar att ställdonets kolvstång skall drivas i motsatt riktning till vad som ovan visats ordnas detta enkelt genom att pistongens läge kring centrumaxeln bringas att arbeta i 10 15 20 25 30 anar: Qszsizpfio i 4 motfas, dvs att om pistongen vid dess rörelse i en riktning har vridningsläget v vid dess arbete med att driva kolvstången utåt, dvs ut från arbetscylindern, så medför pistongens arbete vid dess rörelse i samma riktning men där pistongens vridningsläge är v + vinkelintervallet enligt vilket in- och utloppskanalerna är fördelade runt pumpcylindern, att medföra ett pumparbete där kolvstången i stället med kraft pressas inåt, dvs in i arbetscylinden.

FIGURBESKRIVNING Figur 1 visar schematiskt ett snitt genom ställdonet med dess arbetscylinder och dess hydraulpump.

Figur la och lb visar schematiskt pistongens fonn.

Figur 2a - 2c återger i en bildserie funktionen hos hydraulpumpen under olika slaglägen hos pistongen.

BESKRIVNING AV UTFÖRANDEN Ett antal utföranden av uppfinningen beskrivs i det följande med stöd av bilagda figurer.

Figur 1 återger ett elektrohydrauliskt ställdon 1 som innefattar en hydraulisk arbetscylinder 2 och en hydraulpump 3, där hydraulpumpen 3 utnyttjas för att pumpa upp ett tryck i arbetscylindem 2 för att med önskad kraft utövad på en kolv 4 föra kolven 4 och därmed dess kolvstång 5 i önskad riktning utåt eller inåt i arbetscylindern 2,varvid kolvstången kan utföra önskat arbete på ett mekaniskt organ. Kolvstången 5 kan exempelvis utföra en roderrörelse, när kolvstången är kopplad till ett roder hos en sjö- eller flygfarkost.

Ställdonet 1 är uppbyggt runt en cylinder, som vi här benämner pumpcylinder 6. Pumpcylindern 6 inrymmer en pistong 7 och hydraulvätska 8. Pistongen är utförd som en cylinder, där den första längshalvan 7a av pistongens mantelyta är utförd som en plan första yta 7c och där den andra längshalvan 7b av pistongens mantelyta är utförd som en plan andra yta 7d roterad 180 ° i förhållande till den plana första ytan 7c, vilket alltsammans framgår av figur la. Pistongen 7 kan 10 15 20 25 30 ._s- :522 %49 932SEprio löpa fram och åter i pumpcylindern 6 i den första riktningen A eller i den andra riktningen B.

Mellan pumpcylindern 6 och arbetscylinderns 2 ena ända löper en tryckledning 9 och mellan pumpcylindern 6 och arbetscylinderns 2 andra ända en sugledning 10, där tryckledning 9 och sugledning 10 naturligtvis mynnar på var sin sida om kolven 4. Tryckledningen 9 är ansluten via ett första utlopp 11 och ett andra utlopp 12 till pumpcylinderns 6 inre rum, så att det första utloppet 11 öppnas mot pistongens andra längshalva 7b, medan det andra utloppet 12 öppnas mot pistongens första längshalva 7a. Sugledningen 10 är på motsvarande sätt ansluten till ett första inlopp 13 och ett andra inlopp 14 till pumpcylinderns 6, så att det första inloppet 13 öppnas mot pistongens första längshalva 7a, medan det andra inloppet 14 öppnas mot pistongens andra längshalva. Pistongen 7 är avsedd att arbeta som en dubbelverkande kolv, varvid pistongen sålunda i sin fram- och återgående rörelse inne i pumpcylindem 6 kommer att föra hydraulvätska 8 ut genom ett av utloppen 11, 12 samtidigt som den suger hydraulvätska in genom ett av inloppen 13,14.

Den dubbelverkande kolven, dvs pistongen 7 utgör som nämnts ankare i en linjär elektrisk motor där motorns stator i exemplet är utförd medelst en statorlindning 15 som är lindad runt pumpcy- indern 6. Statorlindningen kan vara en- eller flerfasig. En flerfasig lindning ger fördelar som t ex större möjlighet att hantera tryckpulsationer och ljudnivå samt vid optimering av verkningsgrad m a p strömningsförluster. Motorns frekvens ligger företrädesvis i intervallet 100 Hz - 1000 Hz eller till och med högre.

Rotationen av pistongen ett halvt vaw vid slutet av varje slag med pistongen åstadkoms med en spole 16 i vardera ändan av pumpcylindem 6. Spolen 16 har i princip samma funktion som en stegmotor, där spolen har en exciteringslindning för att åstadkomma vridningen av pistongen 7, så att denna vrids i steg om 180° mellan varje pistongslag. Exciteringslindningen som finns i spolen 16 kan vara separat som visats men ett alternativ är att utforma och styra huvudlind- ningen, dvs ovan nämnda statorlindning på ett sådant sätt att vridningsstegen hos pistongen åstadkoms medelst nämnda styrning.

Principen för pumprörelsen visas i bildserien 1, 2a - 2c. Ibild lvisas funktionen och arbetssättet för ställdonet 1 när pumprörelsen är sådan att hydraulvätska pressar kolven 4 och tillhörande kolvstång 5 ut ur arbetscylindern 2. Pistongen 7 är i detta fall på väg i den första riktningen A medan pistongen intar ett vridningsläge så att hydraulvätska trycks ut av pistongen 7 genom det första utloppet 11 till tryckledningen 9 och trycksätter kolven 4 på dess vänstra sida enligt 10 15 20 25 30 11522 249 . . . . .. 932SEpflo bilden. Det andra utloppet 12 hålls under detta slag stängt av pistongen. Hydraulvätska 8 sugs samtidigt, under detta slag, ut från arbetscylindern på kolvens högra sidan enligt bilden genom att vätskan sugs in via det första inloppet 13 på grund av expansionen av vätskerummet som inloppet 13 kontaktar i pumpcylindern 6 när pistongen rör sig i den första riktningen A. Det andra inloppet 14 hålls under detta slag stängt av pistongen.

I figur 2a har pistongen 7 uppnått vändläge efter det i figur 1 beskrivna första slaget. I detta läge roteras pistongen l80°, vilket är visat i figur 2b. Vinkelläget för kaviteterna som bildas mellan pistongens platta ytor 7c resp 7d och pumpcylinderns vägg roteras l80°. Detta innebär att de tidigare stängda loppen, andra utloppet 12 och det andra inloppet 14, sålunda öppnas mot nämnda kaviteter medan de under första slaget öppna loppen, första utloppet 11 och första inloppet 13, nu är stängda. Härvid kommer hydraulvätska även under det pistongslag som sker i den andra riktningen B att föras till tryckledningen 9 via under detta slag det andra utloppet 12 och hydraulvätska att sugas från arbetscylindern via sugledningen 10 genom det andra inloppet 14 som visat i figur 2b och figur 2c. När pistongen når ändläget vid slutet av slaget i den andra riktningen B, roteras återigen pistongen genom styrning utifrån av stegmotorn i form av spolen 16, varvid ett nytt slag i riktning A påbörjas såsom ovan beskrivet.

Om det är tänkt att arbetssättet skall vara det omvända, dvs att pumprörelsen skall föra kolven 4 och tillhörande kolvstång 5 inåt i arbetscylindern 2, styrs spolen 16 så att pistongen arbetar i motfas, m a p pistongens vridningsläge, till vad som redovisats i bildserien 1, 2a - 2c. Härvid kommer pumpens funktion i alla stycken att bli den motsatta till vad som ovan beskrivits.

Tryckledningen 9 kommer att arbeta som sugledning, medan sugledningen 10 kommer att arbeta som tryckledning, vilket inses genom en funktionsstudie av figurserien 1, 2a - 2b, när vridningsläget för pistongen är l80° förskjutet i förhållande till vad som är visat och beskrivet ovan med hänsyftning till figurserien. I exemplet enligt figurerna är endast ett utförande med kanaler fördelade med 180 graders spridning runt pumpcylinderns periferi visat. Som ovan nämnts är det fullt möjligt att utnyttja fler in- och utloppskanaler fördelade med t ex 120°-, 90°- eller 60°-intervaller, varvid rotationen av pistongen stegas fram enligt en vinkel som svarar mot vinkelintervallet som används.

Det är möjligt att använda sig av ett arrangemang med rörliga ventiler vid in- och utloppen och att inte rotera pistongen, men tanken enligt uppfinningen är att nyttja så få rörliga delar som möjligt genom att nyttja pistongen som ventilkropp.

Claims (11)

10 15 20 25 30 932 SE 031204 01 k) ß? \l) flßs

1. W)

2. PATENTKRAV

3. Ställdon (1) för utförande av ett mekaniskt arbete medelst en kolvstång (5) i en hydrauliskt manövrerad arbetscylinder (2), kännetecknat av, att ställdonet innefattar en av en linjär elektrisk motor driven hydraulpump som inrymmer en pistong och hydraulvätska, där pistongen används som ankare i den linjära elektriska motom och samtidigt fungerar som en pumpkolv i hydraulpumpen, att hydraulpumpen är förbunden med arbetscylindem via åtminstone en tryckkanal (9) resp. åtminstone en sugkanal (10), samt att hydraulpumpen är inrättad att pumpa upp ett hydraultryck i arbetscylindern för att med önskad krafi föra en kolv (4) och dess kolvstång (5) i önskad riktning i arbetscylindern (2), varvid kolvstången är inrättad att verka mot ett mekaniskt organ.

4. Ställdon enligt patentkrav 1, kännetecknat av att pistongen (7) är inrättad att styrd av statorlindningen (15) med Valbar pumpfrekvens i en fram- och återgående linjär rörelse pumpa hydraulvätska (8) till och från arbetscylindern (2).

5. Ställdon (1) enligt patentkrav 2, kännetecknat av att pistongen (7) i sin rörelse utgör ventilkropp för öppning resp stängning av minst en tryckventil resp minst en sugventil hos pumpcylindern, så att tryckkanal (9) resp sugkanal (10) har samma funktion oberoende av pistongens (7) rörelseriktning så länge som kolven (4) förs i den första riktningen.

6. Ställdon (1) enligt patentkrav 1 eller 2 eller 3, kännetecknat av att pistongen (7) roteras ett halvt varv efter varje fullbordat pumpslag.

7. Ställdon (1) enligt patentkrav 4, kännetecknat av att en stegrnotor i vardera ändan av pumpcylindern (6) ombesörjer rotationen av pistongen (7).

8. Ställdon (1) enligt patentkrav 5, kännetecknat av att stegmotorn utgörs av en elektrisk spole (16) med en exciteringslindning för åstadkommande av nämnda rotation.

9. Ställdon (1) enligt patentkrav 1, kännetecknat av att pumpfrekvensen ligger i intervallet 100 Hz till l000Hz. 10 15 20 25 932 SE 031204

10.

11. ll. s22 94; Ställdon (1) enligt patentkrav 3, kännetecknat av att kolven (4) och därmed kolvstången (5) i arbetscylindem (2) förs i den andra riktningen genom att pistongen (7) bringas att arbeta i motfas, vilket innebär att pistongens (7) vinkelläge för en given längsposition och pumpriktning i pumpcylindern (6) är förskjutet ett halvt varv visavi pistongens vinkelläge fór samma längsposition och pumpriktning när kolven (4) förs i den första riktningen. Stä1ldon(1) enligt patentkrav 2, kännetecknat av att statorlindningens (15) ström styrs av en strömriktare integrerad med den linjära motom. Ställdon (1) enligt patentkrav 2 eller 9, kännetecknat av att statorlindningen (15) är enfasi g eller flerfasig. Metod för att utföra ett mekaniskt arbete medelst en kolvstång (5) i en hydrauliskt manövrerad arbetscylinder (2), kännetecknad av, att en linjär elektrisk motor driver en pistong i en hydraulpump att utföra slag i en fram- och återgående rörelse så att pistongen fungerar som pumpkolv i hydraulpumpen, samt att pistongen (7) som samtidigt utgör ankare i den linjära motorn pumpar en hydraulvätska till den med hydraulpumpen förbundna arbetscylindem (2) och bygger upp ett hydraultryck till önskad nivå fór drivning av en kolv i arbetscylindem, varvid en kolvstång ansluten till kolven kan utföra ett mekaniskt arbetet.