Elektrischer Pumpenantrieb für eine Verdrängerpumpe, Verdrängerpumpe und

Verfahren hierzu

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Pumpenantrieb für Verdrängerpumpen mit oszillierend bewegten Kolben, eine Verdrängerpumpe mit demselben sowie ein entsprechendes Verfahren zum oszillierenden Bewegen eines Kolbens einer Verdrängerpumpe .

Im Stand der Technik sind Verdrängerpumpen, Kompressoren und Vakuumpumpen bekannt, die im Gegensatz zu einer Gattung von umlaufenden Verdrängerpumpen wie z.B. Flügelzellenpumpen, eine diskontinuierliche, insbesondere reziproke Bewegung von Pumpenbauteilen ausführen. Derartige Verdrängerpumpen treiben Verdrängerkolben an, die zwischen zwei Wendepunkten oszillieren und dabei Arbeitstakte ausführen, in denen ein Ladungswechsel eines einströmenden und ausströmenden Fördermediums in einer Pumpenkammer bewirkt wird. Darunter sind auch sogenannte Doppelhubpumpen bekannt, die in beiden

Bewegungsrichtungen eines Kolbens zwei entgegengesetzte Ladungs Wechsel, also eine Einströmen auf einer Seite des Kolbens und ein Ausströmen auf der anderen Seite des Kolbens in der Pumpenkammer zeitgleich erzeugen. Ferner unterscheiden sich derartige Verdrängerpumpen durch verschiedene, insbesondere lineare und bogenförmige Amplituden der oszillierenden Kolbenbewegung.

Nach bisheriger technischer Lehre im Stand der Technik werden oszillierend bewegte Teile in Verdrängerpumpen ausschließlich durch drehende elektrische Maschinen in den bekannten Bauweisen von Elektromotoren oder durch sonstige mechanische Antriebsquellen mit einer drehenden Antriebswelle, die z.B. mittels Riementrieb oder Getriebeübersetzung gekoppelt werden, angetrieben. Ferner ist zwischen einer Pumpenbaugruppe und einer Antriebswelle stets ein mechanischer Stellmechanismus gekoppelt, der mittels eines Pleuels, eines Kurbelzapfens und eines Langlochs, eines Kurvengetriebes mit Nocken, einer Steuerkurve oder dergleichen eine zur Antriebswelle exzentrische Anlenkung der bewegten Teile herstellt.

Im Allgemeinen besteht die Kinematik einer solchen Mechanik darin, die rotatorische Antriebsbewegung in eine lineare bzw. in die Arbeitsstrecke des Kolbens gerichtete reziproke Bewegung zu überführen. Daraus resultiert eine unausgeglichene Dynamik, die sich darin äußert, dass zur Überführung einer rotatorischen kontinuierlichen Kraft in wechselseitig beschleunigende Kräfte Totpunkte überwunden werden müssen.

In der Praxis bringt das dynamische Ungleichgewicht verschieden Nachteile mit sich. So ist beim Anlaufen von Verdrängerpumpen ein hohes Antriebsdrehmoment zur Überwindung der ersten Totpunkte erforderlich. Dies trifft insbesondere in dem Fall eines Kaltstarts eines Systems zu, in dem ein Fördermedium mit temperatursensibler Viskosität wie z.B. ein Schmieröl gefördert wird. Zur Sicherstellung der Betriebsfähigkeit bedeutet das den wirtschaftlichen Nachteil, dass ein im Verhältnis nur Nennleistung relativ groß dimensionierter Antrieb bereitgestellt werden muss. Ferner muss prinzipiell ein exzentrischer Stellmechanismus bereitgestellt werden, der je nach Anwendungsbereich der Pumpe an forderungs gerecht auf Verschleißfcstigkeit, Bauraum und Kosten auszulegen ist. Basierend auf dieser Betrachtungsweise besteht daher in unterschiedlicher Hinsicht Raum zur Verbesserung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen alternativen Pumpenantrieb für Verdrängerpumpen mit oszillierend bewegten Kolben zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des elektrischen Pumpenantriebs nach Anspruchs 1, der Verdrängerpumpe nach Anspruch 15 und des Verfahrens nach Anspruch 17 gelöst.

Der erfindungsgemäße elektrische Pumpenantrieb zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass er einen Drehmagnet umfasst, der wenigstens einen Elektromagnet und einen um eine Achse schwenkbaren Anker aufweist, der vermittels Erregung des wenigstens einen Elektromagnets zwischen zwei Arbeitspunkten wechselseitig verschwenkbar ist, wobei der Anker zur Koppelung mit einem oszillierend bewegten Kolben eingerichtet ist. Dementsprechend zeichnet sich die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe mit einem zwischen zwei Wendepunkten oszillierend bewegten Kolben insbesondere dadurch aus, dass ein elektrischer Pumpenantrieb einen Drehmagnet umfasst, der wenigstens einen Elektromagnet und einen um eine Achse schwenkbaren Anker aufweist, der vermittels Erregung des wenigstens einen Elektromagnets zwischen zwei Arbeitspunkten wechselseitig verschwenkbar ist, wobei der Anker mit dem Kolben derart gekoppelt ist, dass die Wendepunkte der oszillierenden Bewegung des Kolbens an den Arbeitspunkten des Ankers eingenommen werden.

Ebenso dementsprechend zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren zum oszillierenden Bewegen eines Kolbens einer Verdrängerpumpe zwischen zwei Wendepunkten vermittels eines Drehmagnets mit den Schritten aus: Erzeugen eines Magnetfelds durch einen Elektromagnet, das ein Drehmoment auf den Anker in einer Schwenkrichtung ausübt, bis der Kolben einen Wendepunkt erreicht, und Aussetzen des Erzeugens des Magnetfelds durch den Elektromagnet und/oder Erzeugen eines Magnetfelds entgegengesetzter Polarität durch einen Elektromagnet, das ein Drehmoment auf den Anker in der entgegengesetzten Schwenkrichtung ausübt, bis der Kolben den anderen Wendepunkt erreicht.

Die Erfindung sieht somit erstmals vor, einen Drehmagnet als Antriebsquelle eines Pumpenantriebs für eine nicht-umlaulende Verdrängerpumpe einzusetzen.

Der vorliegenden Erfindung in ihrer allgemeinsten Form liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein für die wechselseitige Beschleunigung eines Verdrängerkolbens optimierter Pumpenantrieb idealerweise ein ebenso wechselseitig alternierendes Moment mit amplitudenfbrmiger Intensität bereits elektrodynamisch erzeugt. Erfmdungsgemäß wird ein solches bedarfsgerechtes Moment sowohl in seiner dynamischen Intensität als auch seiner kinematischen Ausrichtung durch einen Drehmagnet passend bereitgestellt. Dies stellt eine grundlegende Abkehr von dem Antriebskonzept eines kontinuierlichen Drehmoments einer umlaufend gerichteten Antriebskraft und einer kinematischen Umwandlung der Antriebsbewegung dar.

Im Sinne der vorliegenden Offenbarung unterscheiden sich Drehmagnete definitionsgemäß von drehenden elektrischen Maschinen insbesondere dadurch, dass die ausführbare Bewegung des Ankers eines Drehmagnets auf einen Drehwinkel zwischen zwei Arbeitspunkten begrenzt ist, also keine vollständige Umdrehung ausführen kann. Im Gegensatz zu dem Stator eines Elektromotors mit einer Vielzahl von Erregerspulen zur Erzeugung eines umlau fenden Magnetfelds, ist der Drehmagnet je nach Ausführungsform lediglich mit einem oder zwei Elektromagneten ausgestattet. In Sonderformen für besonders drehmomentstarke Ausführungen kann der Drehmagnet eine symmetrische Anordnung von 4 oder 6 Elektromagneten aufweisen, wodurch sich der ausführbare Drehwinkel auf einen Bruchteil des Faktors geometrisch reduziert.

Drehmagnete, die auch als rotatorische Solenoide bezeichnet werden sind Stellglieder, die beispielsweise aus dem Anlagenbau bekannt sind, um eine Weiche in einer Förderstrecke oder einen sogenannten Shutter wie ein Ablenkblech in einer Sortierungsstrecke zwischen zwei Positionen einer Weggabelung oder Abzweigung umzustellen.

Im Allgemeinen wird zwischen Proportionaldrehmagneten bzw. Drehmagneten mit einer Rückstellfeder und bistabilen Drehmagneten mit einem abwechselnd umgepolten Elektromagnet oder zwei abwechselnd erregten Elektromagneten unterschieden. Analog zu den Bauweisen eines Elektromotors kann die Kraftübertragung durch eine Polarität zwischen Permanentmagnet des Ankers und feststehendem Elektromagnet, oder dem Reluktanzprinzip zwischen Ankerpolen und Polschuhen eines magnetischen Kreises eines feststehenden Elektromagnets, wie z.B. durch einen Polring, hergestellt werden. Bekannte Drehmagnete unterscheiden sich ferner in ihrer Bauweise, beispielsweise durch eine radiale oder axiale Anordnung zwischen Anker und Elektromagnet, wodurch ein Drehmoment einer rotatorischen R el ati vbewegung erzeugt wird, oder eine axiale Anordnung mit keilförmigen Nuten oder Flächen und Wälzkörpern zwischen Anker und Elektromagnet, wodurch ein axial erzeugtes Moment in eine helixförmige Relativbewegung überführt wird. Derartige verschiedene und sonstige bekannte Typen und Bauformen von Drehmagneten bzw. rotatorischen Solenoiden werden im Sinne der vorliegenden Offenbarung unter der zusammengefassten Bezeichnung eines Drehmagnet verstanden und sind zur Ausführung der Erfindung geeignet sowie wahlweise vorgesehen.

Zur Verbesserung eines elektrischen Pumpenantriebs für Verdrängerpumpen in Bezug auf die zum Stand der Technik genannten Nachteile sowie in darüber hinausgehenden Aspekten verschafft die Erfindung verschiedene, nachfolgend erläuterte Vorteile.

Mit einem Drehmagnet lässt sich durch kurzzeitige Ubererregung des Elektromagnets die magnetische Kraft erhöhen, womit sehr hohe Momente oder Drehmomente erzielt werden. Bei geeigneter Ansteuerung liegt dabei insbesondere zu Beginn einer Schwenkbewegung des Ankers von einem Arbeitspunkt zum anderen ein hohes Drehmoment an, das im Verlauf der Annäherung an den anderen Arbeitspunkt abnimmt, wodurch eine Abdeckung der Drehmomentanforderung einer oszillierenden Beschleunigung abgedeckt werden kann. Zudem bietet ein Drehmagnet schnelle Reaktionszeiten und verbleibt ohne Bestromung in der Endposition eines Arbeitspunktes. Hierdurch werden der Energieverbrauch und die Verlustwärme verringert.

Bei gleichen Abmessungen erzielt ein Drehmagnet im Vergleich zum Elektromotor eine größere Erregerspulenwicklung und folglich eine höhere Leistungsaufnahme bzw. eine höhere elektrodynamische Kraft innerhalb des Wirkungsbereichs der Spule, d.h. der Arbeitstrecke des Ankers, was der Kaltstartanforderung verschiedener Anwendungen entgegen kommt. Zugleich ist die Anzahl an Spulen, Verdrahtungen, Polen und sonstigen strukturellen Elementen geringer, so dass ein kompakter hochintegrierter Aufbau mit wenigen Einzelteilen und geringeren Herstellungskosten umgesetzt wird.

Im Vergleich zu bürstenlosen Gleichstrommotoren, die eine relativ komplexe ECU und Leistungselektronik erfordern, lassen die technischen Anforderungen an die Steuerung des Drehmagnets Verei nfachungen und Kosteneinsparungen an der Beschaltung der Leistungszufuhr zu.

Darüber hinaus entfallen der Bauraum und die Kosten einer Mechanik sowie ein Verschleißrisiko derselben je nach Typ der Pumpenbaugruppe vollständig oder werden verringert.

Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein Elektromagnet des Drehmagnets zur wechselseitigen S chwenkbewegung des Ankers durch eine alternierende Strompolarität erregbar sein. Dabei wird der Richtungswechsel des Ankers rein steuerungstechnisch umgesetzt.

Somit wird ein einfacher Aufbau des Drehmagnets mit wenigen elektrischen Bauteilen erzielt, wodurch die Bereitstellung eines kostengünstigen elektrischen Pumpenantriebs einer Verdrängerpumpe ermöglicht wird.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Drehmagnet ferner eine Rückstellfeder für den Anker aufweisen, und der Elektromagnet zur Schwenkbewegung des Ankers entgegen einer Rückstellkraft der Rückstellfeder erregbar sein. Dabei wird ein Richtungswechsel des Drehmagnets lediglich durch ein- und Ausschalten der Leistungszufuhr umgesetzt.

Somit wird ein einfacher Aufbau der Steuerungsbeschaltung erzielt, wodurch die Bereitstellung einer kostengünstigen Steuerung des elektrischen Pumpenantriebs eine Verdrängerpumpe ermöglicht wird.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Drehmagnet wenigstens zwei Elektromagnete aufweisen, wobei zur wechselseitigen Schwenkbewegung des Ankers die wenigstens zwei Elektromagnete abwechselnd erregbar sind. Somit werden eine Verlustleistung durch das Umpolen eines einzelnen Elektromagnets und eine dementsprechende Wärmeentwicklung verhindert. Ferner wird die Wärmeentwicklung durch die Aufteilung der Bestromung bzw. Leistungszufuhr auf zwei Elektromagnete als getrennte Bauteile weiter verringert.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Anker des Drehmagnets wenigstens einen Permanentmagnet umfassen. Dabei folgt eine Schwenkbewegung des Ankers von einem Arbeitspunkt zum anderen Arbeitspunkt, einer repulsiven und/oder attraktiven Kraft der magnetischen Polarität zwischen Permanentmagnet und Elektromagnet.

Somit wird ein strukturell einfacher Aufbau des Drehmagnets geschaffen, der durch magnetische Kräfte zwischen den Magnetpolen ein hohes Drehmoment am Anker erzielt. Dadurch wird die Bereitstellung eines elektrischen Pumpenantriebs für Verdrängerpumpen mit einem guten Verhältnis von hoher Leistung zu kompakter Abmessung ermöglicht.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung können der Anker des Drehmagnets einen ferromagnetischen Ankerkörper mit ausgeprägten Ankerpolen umfassen, und die Ankerpole in einem Arbeitspunkt des Ankers feststehend angeordneten Polschuhen zugeordnet sein. Dabei folgt eine Schwenkbewegung des Ankers von einem Arbeitspunkt zum anderen Arbeitspunkt der Reluktanzkraft zur Einnahme des geringsten Luftspalts im Magnetkreis eines Elektromagnets.

Somit wird ein Aufbau des Drehmagnets ohne Permanentmagnete erzielt, der vergleichbar mit einem Reluktanzmotor einen vorteilhaften Leistungsaufnahmeverlauf im Teillastbereich aufzeigt. Dadurch wird ein kostengünstiger elektrischer Pumpenantrieb für Verdrängerpumpen ohne den Einsatz von seltenen Erden für permanentmagnetische Legierungen bereitgestellt. Ferner ermöglicht die Ausrichtung eines magnetischen Kreises anhand der Polschuhe zugleich eine Definition des Drehwinkels des Drehmagnets. Gemäß einem Aspekt der Erfindung können der Anker des Drehmagnets einen Ankerkörper mit ferromagnetischen Ankerpolen umfassen, die eine höhere magnetische Permeabilität als andere Abschnitte des Ankerkörpers aufweisen, und die Ankerpole in einem Arbeitspunkt des Ankers feststehend angeordneten Polschuhen zugeordnet sind. Dabei folgt eine Schwenkbewegung des Ankers von einem Arbeitspunkt zum anderen Arbeitspunkt der Reluktanzkraft zur Einnahme des geringsten magnetischen Widerstands durch den Ankerkörper im magnetischen Kreis eines Elektromagnets.

Somit wird ein alternativer Aufbau des Drehmagnets mit den zuvor genannten Vorteilen des Reluktanzprinzips als kostengünstiger elektrischer Pumpenantrieb für Verdrängerpumpen ohne den Einsatz seltener Erden bereitgestellt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Drehmagnet Begrenzungsmittel aufweisen, die eine Schwenkbewegung des Ankers an den zwei Arbeitspunkten begrenzt.

Somit können an jedem Drehmagnet, insbesondere an solchen mit Permanentmagneten, die Arbeitspunkte des Drehmagnets noch exakter festgelegt werden. Ferner kann, falls anwendungsspezifisch gewünscht, ein kurzzeitiges Haltemoment gegen einen solchen mechanischen Anschlag erzeugt werden. Im Gegensatz hierzu kann, falls anwendungsspezifisch gewünscht, ebenso ein Rückprellen des Ankers am mechanischen Anschlag erzeugt werden, das gegebenenfalls vor einem Anlauien eines Kolbens gegen eine Kammerwand in der P umpenbaugruppe eintritt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung können Elektromagnet und Anker derart angeordnet sein, dass ein Luftspalt zwischen den Ankerpolen und den Polschuhen radial zur Achse des Ankers verläuft.

Somit wird eine Bauweise des Elektromagnets bereitgestellt, der eine kurze axiale Abmessung des elektrischen Pumpenantriebs an der Pumpenbaugruppe ermöglicht. Gemäß einem Aspekt der Erfindung können Elektromagnet und Anker derart angeordnet sein, dass ein Luftspalt zwischen den Ankerpolen und den Polschuhen axial zur Achse des Ankers verläuft.

Somit wird eine Bauweise des Elektromagnets bereitgestellt, der eine schlanke radiale Abmessung des elektrischen Pumpenantriebs an der Pumpenbaugruppe ermöglicht.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein Joch eines Elektromagnets, an dem die Polschuhe ausgebildet sind, als Polring ausgebildet ist, der konzentrisch um den Anker oder axial zu dem Anker angeordnet ist.

Somit kann eine effiziente Einleitung der magnetischen Flussdichte eines magnetischen Kreises auf die Ankerpole bei einer konstruktiv günstigen koaxialen Anordnung der Spule des Elektromagnets realisiert werden, wodurch ein elektrischer Pumpenantrieb für Verdrängerpumpen mit geringer axialer Abmessung bereitgestellt wird.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der elektrische Pumpenantrieb fem er eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Position des Ankers umfassen.

Somit wird optional eine Rückkoppelung zur Regelung einer Ansteuerung bzw. Leistungszufuhr des elektrischen Pumpenantriebs für Verdrängerpumpen bereitgestellt, die durch einen Wegsensor oder noch kostengünstiger durch Kontakte an den Arbeitspunkten zur Erfassung von zumindest zwei Ankerpositionen realisierbar ist.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der elektrische Pumpenantrieb ferner aufweisend eine Steuereinheit, die eine elektrische Leistungszufuhr für einen Elektromagnet in Bezug auf eine Taktung und/oder in Bezug auf eine Strompolarität der zugeführten Leistung steuert. Derartige Steuerungsfunktionen können mittels eines Pulsweitenmodulators und mittels eines Bipolarverstärkers in Form von standardisierten elektronischen Bauelementen realisiert werden, wodurch die Bereitstellung einer kostengünstigen Steuerung eines elektrischen Pumpenantriebs für Verdrängerpumpen möglich ist. Dies trifft insbesondere im Vergleich zu der erforderlichen Leistungselektronik für einen bürstenlosen Gleichstrommotor zu, der herkömmlicher Weise als Pumpenantrieb verwendet wird.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der elektrische Pumpenantrieb mit Drehmagnet eine Verdrängerpumpe mit einer Pumpenbaugruppe antreiben, die als Schwenkkolbenpumpe ausgebildet ist, deren Kolben zwei diametral erstreckende Verdrängerabschnitte aufweist, die jeweils in einer sektorförmigen Arbeitskammer eingegrenzt sind.

In Kombination mit einer als Schwenkkolbenpumpe bzw. auch Pendelkolbenpumpe bezeichneten Pumpenbaugruppe entspricht die Kinematik der oszillierenden Kolbenbewegung derjenigen des Ankers, d.h. die Bewegungsbahnen sind exakt kongruent zueinander auslegbar. Dadurch wird ein Pumpenaufbau ermöglicht, in dem eine Mechanik zwischen dem elektrischen Pumpenantrieb und der Pumpenbaugruppe entfällt und eine kompakte Integration erzielt wird, indem die Schwenkachse des Ankers und die Schwenkachse des Kolbens durch eine Welle gebildet werden.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein Steuerungsverfahren des elektrischen Pumpenantriebs für ein Verdrängerpumpe in Form der zuvor genannten Schwenkkolbenpumpe, die Durchführung eines Ein- und Ausschaltens und/oder Umkehrens einer Strompolarität einer elektrischen Leistungszufuhr zu dem wenigstens einen Elektromagnet in Abhängigkeit einer vorgebbaren Taktzahl von Kolbenbewegungen pro Zeiteinheit umfassen.

Bei entsprechender Auslegung entspricht die Amplitude der Schwenkbewegung des Ankers der Amplitude der Schwenkbewegung des Kolbens. Da es sich um eine Verdrängerpumpe handelt, besteht ferner ein festes Verhältnis zwischen einem Kolbenhub und geförderten Volumendurchsatz. Somit kann in einfacher Weise durch eine Taktzahl der Kolbenbewegung ein Rückschluss auf einen festen Volumenstrom getroffen werden, bzw. dieses Verhältnis zur Steuerungsvorgabe einer exakten volumetri sehen Förderleistung angewendet werden. Dadurch kann beispielsweise im Vergleich zu umlaufenden Verdrängerpumpen eine einfachere Steuerung realisiert, bzw. auf einen Durchflussmesser verzichtet werden.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Steuerungsverfahren ferner die Durchführung eines Erhöhens einer Spannung der elektrischen Leistungszufuhr zu dem wenigstens einen Elektromagnet umfassen, bis durch eine Erfassungseinrichtung erfasst wird, dass die Schwenkbewegung des Ankers die Arbeitspunkte erreicht.

Somit kann eine einfache Steuerung realisiert werden, welche unter der Prämisse einer vorgegebenen volumetri sehen Förderleistung die erforderliche minimale elektrische Leistung ermittelt und zufuhrt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer S chwenkkolbenpumpe als beispielgebende Verdrängerpumpe, die mit einer Ausführungsfonn des elektrischen Pumpenantriebs ausgestattet ist, mit Bezug auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. Zudem werden anhand von Darstellungen unterschiedlicher Bau formen eines Drehmagnets weiterer Möglichkeiten zur Ausführung des elektrischen Pumpenantriebs, die von der Erfindung umfasst sind, mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch die beispielgebende Schwenkkolbenpumpe zur Erläuterung der Anwendung des erfindungsgemäßen elektrischen Pumpenantriebs;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine beispielgebende Schwenkkolbenpumpe mit einer Ausf hrungsform des erfmdungsgemäßen elektrischen Pumpenantriebs, der als Zwillingsanordnung eines Drehmagnets, der zwei axial benachbarte Elektromagnete und zwei Ankerkörper umfasst, ausgeführt ist;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht auf einen Ankerkörper der Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Pumpenantriebs von einer Seite, die dem Kolben zugeordnet ist;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht auf den anderen Ankerkörper der Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Pumpenantriebs von der gegenüberliegenden Seite zu Fig. 3;

Fig. 5 eine detaillierte Explosionsdarstellung zur Erläuterung einer alternativen Möglichkeit zur Ausführung des erfindungsgemäßen elektrischen Pumpenantriebs; und

Fig. 6 eine prinzipielle Explosionsdarstellung zur Erläuterung einer weiteren alternativen Möglichkeit zur Ausführung des erfindungsgemäßen elektrischen Pumpenantriebs.

Zunächst wird mit Bezug auf Fig. 1 der Aufbau einer beispielgebenden Schwenkkolbenpumpe zur Verwendung als Ölpumpe in einem Niedrigdruck- Schmiermittelsystem beschrieben, die mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Pumpenantriebs ausgestattet ist. Diese Schwenkkolbenpumpe ist ferner Gegenstand und ausführlicher beschrieben in einer zeitgleichen Patentanmeldung derselben Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung.

In Fig. 1 sind von einer Schwenkachse 12 aus oben links und unten rechts zwei diametral gegen überl i egende, sektorformige Arbeitskammern 10 abgebildet, die sich im Pumpengehäuse 1 in einer Ebene zur Schwenkbewegung des Schwenkkolbens 2 erstrecken. Die Flanken der Arbeitskammern 10 bilden Anlaufflächen für den Schwenkkolben 2. Von der Schwenkachse 12 aus oben rechts und unten links dargestellt, sind zwischen den Arbeitskammern 10 zwei Bereiche eines Pumpenauslasses 14 angeordnet, die über einen bogenförmigen Kanal in dem Pumpengehäuse 1 verbunden sind. Zwischen den Arbeitskammern 10 und dem Pumpenauslass 14 sind in den Anlaufflächen der Arbeitskammern 10 spangenförmige Auslassventile 4 der Schwenkkolbenpumpe ausgebildet.

Der Schwenkkolben 2 ist auf der Schwenkachse 12 fixiert, die zugleich eine Antriebswelle des elektrischen Antriebs mit einem Drehmagnet 3 ist. Der Schwenkkolben 2 umfasst zwei Verdrängerabschnitte 20, die in den Arbeitskammern 10 über einen Drehwinkel von etwa 90° wechselseitig verschwenkt werden, wie durch den Doppelpfeil dargestellt ist. Im Inneren ist der Schwenkkolben 2 als Hohlkörper ausgenommen und zur Seite des Betrachters der Darstellung geöffnet, wodurch sich eine Kavität 25 ergibt. Die Kavität 25 umgibt eine Aufnahme der Schwenkachse 12 und verläuft in die Verdrängerabschnitte 20 hinein.

In den Flanken der Verdrängerabschnitte 20, die zu den Anlaufflächen der Arbeitskammern 10 geschwenkt werden, sind Einlassventile 5 der Schwenkkolbenpumpe angeordnet. Die Einlassventile 5 lassen einen Förderstrom, der über einen zentralen Pumpeneinlass 15 angesaugt wird, durch die Kavität 25 in eine Arbeitskammer 10 passieren, und sperren in umgekehrter Richtung von einer Pumpenkammer 10 zur Kavität 25.

Wenn sich der Schwenkkolben 2 aus der in Fig. 1 dargestellten Ausgangsposition gegen den Uhrzeigersinn bewegt, wird ein Volumen des Fördermediums vor dem Schwenkkolben 2 verdrängt bzw. aus den Arbeitskammern 10 ausgeschoben. Hierbei werden die Auslassventile 4 auf der Druckseite des Schwenkkolbens 2 im Pumpengehäuse 1 zum Pumpenauslass 14 geöffnet, während die Einlassventile 5 auf der vorderen Druckseite des Schwenkkolbens 2 einen Durchlass zur Kavität 25 sperren.

Zeitgleich entsteht in dem Abschnitt der Arbeitskammer 10 auf der hinteren Seite des Schwenkkolbens 2 ein Unterdruck, sodass ein Volumen des Fördermediums, das über den Pumpeneinlass 15 ansaugt wird, in die Arbeitskammer 10 nachströmt. Hierbei die Einlassventile 5 auf der hinteren Saugseite des Schwenkkolbens 2 durch den angesaugten Förderstrom geöffnet und werden durch das Fördermedium in der Kavität 25 zur Arbeitskammer 10 durchströmt, während die Auslassventile 4 die Pumpenkammer 10 zum Pumpenauslass 14 sperren. In einer umgekehrten Schwenkbewegung zurück in die Ausgangsposition des Schwenkkolbens 2 in Fig. 1 besteht dieselbe Funktionsweise. Die Schwenkkolbenpumpe ist somit ein Typ einer Doppelhubpumpe.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, umfasst das Pumpengehäuse 1 ferner einen in Richtung der Arbeitskammern 10 gerichteten Flanschabschnitt, in dem eine Ausführungsform des elektrischen Antriebs mit einem Drehmagnet 3 aufgenommen ist. Auf einer rechts dargestellten Seite des Pumpengehäuses 1 ist ein durch einen Deckel abgeschlossener weiterer Flanschabschnitt ausgebildet, in dem eine Steuerschaltung 39 des elektrischen Antriebs 3 aufgenommen ist. Zuleitungsanschlüsse, die zu Elektromagneten 30 des Drehmagnets 3 führen, treten durch einen nach oben gerichtet dargestellten Stutzen aus dem Pumpengehäuse 1 heraus.

Der dargestellte elektrische Antrieb ist als Zwillingsanordnung eines Drehmagnets 3 ausgeführt, der zwei axial benachbarte Elektromagnete 30a, 30b und zwei Ankerkörper 32a, 32b umfasst, und somit einen sogenannten Typ eines bistabilen Drehmagnets 3 bildet.

Die ringförmigen Elektromagnete 30a, 30b sind axial voneinander getrennt und stehen mit zwei ebenso axial getrennten Polringen 31 a, 31 b in Kontakt, die ein jeweils einseitiges Polsystem mit Rückschluss über einen gemeinsamen Ferritkern 33 bzw. Joch bilden. In dem Ferritkern 33 ist die Schwenkachse 12 aufgenommen, auf welcher der Anker 32 schwenkbar angeordnet ist. Der Anker 32 weist zwei Ankerkörper 32a, 32b auf, die jeweils eine diametral längere, und 90° Grad versetzt dazu, eine diametral kürzere Erstreckung in radialer Richtung aufweisen.

Wie in den Figuren 4 und 5 ersichtlich ist, weisen die Ankerkörper 32a, 32b die Kontur einer Kreisfläche auf, in der zwei gegenüberliegende, nach innen ausgenommene Kreisbogensegmenten ausgenommen sind. Die Abschnitte zwischen den Ausnehmungen, welche die größere diametrale Erstreckung in radialer Richtung aufweisen, bilden radial nach außen ausgeprägte Ankerpole 34 aus. Die Ankerkörper 32a, 32b sind gemeinsam schwenkbar in jeweils einer zentralen Ausnehmung eines Polrings 31a, 31 b aufgenommen. Die Ausnehmungen der Polringe 31 a, 31b weisen zwei gegenüberliegende radial nach innen ausgeprägte Polschuhe 35 auf. Die beiden Ankerkörper 32a, 32b, d.h. insbesondere deren Ankerpole 34 sind um 90° zueinander versetzt angeordnet. Alternativ können jedoch ebenso die Pol schuhe 35 der beiden Polringe 31 a, 31b um 90° zueinander versetzt ausgebildet sein.

Daraus ergibt sich folgende Betriebsweise der dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pumpenantriebs. Wenn ein Elektromagnet 30a mit Strom versorgt wird, schwenkt der Anker 32 durch die Reluktanzkraft in eine Position, in welcher der entsprechende Ankerkörper 32a sich mit den Ankerpolen 34 zu den Polschuhen 35 der Ausnehmung in dem entsprechenden Polring 31 a ausrichtet, um den Luftspalt und somit den magnetischen Widerstand in einem magnetischen Kreis zu verringern, der von dem Elektromagnet 30a in dem Polring 31 a, dem Ankerkörper 32a und im Rückschluss über den Ferritkern 33 erzeugt wird.

Wenn die beiden Elektromagnete 30a, 30b abwechselnd durch die Steuerschaltung 39 mit Strom versorgt werden, wird aufgrund der versetzten Anordnung der Ankerpole 34 und der Pol schuhe 35 eine wechselseitige Schwenkbewegung der Schwenkachse 12 um 90° erzeugt, wodurch der Schwenkkolben 2 in der zuvor beschriebenen Betriebsweise der Schwenkkolbenpumpe angetrieben wird.

Allgemeiner formuliert, entspricht das Prinzip eines Drehmagnets 3 dieser Ausführungsform den folgenden verfahrenstechnischen Schritten: Erregen des ersten Elektromagnets 30a mit der elektrischen Leistungszufuhr, sodass der Anker 32 durch ein Magnetfeld des ersten Elektromagnets 30a von dem ersten Arbeitspunkt zu dem zweiten Arbeitspunkt geschwenkt wird; und Erregen des zweiten Elektromagnets 30b mit der elektrischen Leistungszufuhr, sodass der Anker 32 durch ein Magnetfeld des zweiten Elektromagnets 30b von dem zweiten Arbeitspunkt zu dem ersten Arbeitspunkt geschwenkt wird.

Wie in Fig. 5 als Explosionsansicht gezeigt ist, besteht eine weitere Möglichkeit zur Umsetzung einer anderen Aus führungs form des erfindungsgemäßen elektrischen Pumpenantriebs in einer aus dem Stand der Technik bekannten Bauform eines Drehmagnets 3, der nur einen Elektromagnet 30 und dazu eine spiralförmige Rückstellfeder 36 umfasst. Diese als alternative Variante des Drehmagnets 3 des elektrischen Pumpenantriebs dargestellte Bauform umfasst ferner Anschlagelemente 37 als mechanische Begrenzungsmittel und Kugellager 38 zur eigenständigen Lagerung der Schwenkachse 12 innerhalb des elektrischen Pumpenantriebs, einen Schalter für die Leistungszufuhr als Bestandteil der Steuerschaltung 39 sowie weitere Kleinteile wie eine Distanzhülse, einen Sicherungsring und dergleichen. Die Ankerpole 34 des Ankers 32 sind axial ausgeprägt, und sind entsprechenden, axial ausgeprägten Pol schuhen 35 an einer Ferritkernplatte 33 als Joch zugeordnet, die über die Schwenkachse 12 und einen Federkorb einen Rückschluss des magnetischen Kreises zum Polring 31 herstellt, der vom Elektromagnet 30 erzeugt wird.

Wie aus der Darstellung in Fig. 5 hervorgeht, unterliegt eine derartige A usführungsmögl i chk eit des elektrischen Pumpenantriebs folgender Betriebsweise. Wenn der Elektromagnet 30 durch den Schalter der Steuerschaltung 39 mit einer elektrischen Leistungszufuhr erregt wird, schwenkt der Anker 32 durch die Reluktanzkraft von einem ersten Arbeitspunkt zu einem zweiten Arbeitspunkt, an dem die Ankerpole 34 in Überdeckung mit den Polschuhen 35 gelangen und einen Luftspalt des magnetischen Kreises verringern. Dabei schlägt der Anker 32 an den Anschl agel em enten 37 an und wird am zweiten Arbeitspunkt gestoppt. Während der Schwenkbewegung wird zugleich die Rückstellfeder 36 vorgespannt, die zwischen Anker 32 und Polring 31 fixiert ist. Nach Beenden des Erregen s des Elektromagnets 30, der ein Haltemoment gegen den Anschlag erzeugt, wird der Anker 32 durch die Rückstellfeder 36 von dem zweiten Arbeitspunkt zu dem ersten Arbeitspunkt zurück geschwenkt bis er an den Anschlagelementen 37 gestoppt wird. Dadurch treibt eine derartige Ausführung des erfindungsgemäßen elektrischen Pumpenantriebs den Schwenkkolben 2 in der zuvor beschriebenen Betriebsweise der Schwenkkolbenpumpe an.

Allgemeiner formuliert, entspricht das Prinzip eines Drehmagnets 3 dieser Ausführungsmöglichkeit den folgenden verfahrenstechnischen Schritten: Erregen des Elektromagnets mit der elektrischen Leistungszufuhr, sodass der Anker 32 durch ein Magnetfeld des Elektromagnets 30 von dem ersten Arbeitspunkt zu dem zweiten Arbeitspunkt geschwenkt wird; und Aussetzen des Erregens des Elektromagnets 30 mit der elektrischen Leistungszufuhr, sodass der Anker 32 durch die Rückstellkraft der vorgespannten Rückstellfeder 36 von dem zweiten Arbeitspunkt zu dem ersten Arbeitspunkt geschwenkt wird.

Eine andere Möglichkeit zur Umsetzung einer weiteren Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Pumpenantriebs, basiert auf einer aus dem Stand der Technik bekannten Bauform eines Drehmagnets 3, der in Fig. 6 gezeigt ist. Dieser Drehmagnet 3 umfasst ähnlich wie die zuerst genannte Ausführungsform, eine zweipolige Erregerspule bzw. zwei Elektromagnete 30a, 30b, die in Form von nierenförmigen Wicklungen beiderseits der Schwenkachse 12 angeordnet sind und jeweils einen Ferritkern 33a, 33b bzw. Joch umfassen. Axial benachbart zu den Elektromagneten 30a, 30b ist ein scheibenförmiger Anker 32 auf der Schwenkachse 32 angeordnet, der zwei halbkreisförmige Permanentmagnete 34m als Ankerpole 34 trägt. Die Permanentmagnete 34m sind in ihrer Längserstreckung magnetisiert und gegensinnig auf dem Anker 32 aufgebracht. Die Polarisationsgrenze liegt dabei symmetrisch über den Polen der Elektromagnete 30a, 30b. Zur Kraftübertragung trägt im Wesentlichen der Übergangsbereich zwischen den Polen N/S bei.

Die Betriebsweise ist derjenigen eines permanenterregten Elektromotors ähnlich und folgt der Elektrodynamik zwischen der elektrischen Leistungszufuhr und den resultierenden magnetischen Polaritäten. Wenn die Elektromagnete 30a 30b erregt werden, erfährt der Anker 32 ein auslenkendes Drehmoment, wobei die Drehrichtung durch die Polung der Elektromagnete 30a, 30b festgelegt ist. Durch eine abwechselnde Erregung und Aussetzung jedes Elektromagnets 30a, 30b oder durch eine abwechselnde Erregung mit alternierender Polarität, wird der Anker 32 zwischen zwei Arbeitspunkten, die vorzugsweise durch mechanische Begrenzungen definiert sind, hin- und her verschwenkt. Dadurch treibt eine derartige Ausführung des erfindungsgemäßen elektrischen Pumpenantriebs den Schwenkkolben 2 in der zuvor beschriebenen Betriebsweise der Schwenkkolbenpumpe an.

Ferner ist hierzu eine Variante denkbar, in der lediglich ein Elektromagnet 30 angeordnet ist, der durch die elektrische Leistungszu uhr mit alternierender Strompolarität ein entsprechendes Magnetfeld mit alternierender Polarität auf den Anker 32 ausübt.

Allgemeiner formuliert entspricht das Prinzip eines Drehmagnets 3 dieser Ausführungsmöglichkeit den folgenden verfahrenstechni sehen Schritten: Erregen des Elektromagnets 30 oder der Elektromagnete 30a, 30b mit der elektrischen Leistungszufuhr, sodass der Anker 32 durch ein Magnetfeld des Elektromagnets 30a, 30b von dem ersten Arbeitspunkt zu dem zweiten Arbeitspunkt geschwenkt wird; und Erregen des Elektromagnets 30 oder der Elektromagnete 30a, 30b mit der elektrischen Leistungszufuhr unter umgekehrter Strompolarität, sodass der Anker 32 durch das umgepolte Magnetfeld des Elektromagnets 30 oder der Elektromagnete 30a, 30b von dem zweiten Arbeitspunkt zu dem ersten Arbeitspunkt geschwenkt wird.

Für alle dargestellten und genannten Ausführungen des Drehmagnets 3 gilt, dass durch eine höhere Polanzahl der Drehwinkel abnimmt und das erzeugte Drehmoment zunimmt.

Darüber hinaus versteht es sich, dass der erfindungsgemäße Pumpenantrieb mit anderen Pumpenbaugruppen von Verdrängerpumpentypen als der beschriebenen Schwenkkolbenpumpe verwendet werden kann. Durch eine mechanisch modifizierte Antriebsverbindung kann der erfindungsgemäße Pumpenantrieb ebenso in Verdrängerpumpen eingesetzt werden, in denen eine lineare reziproke Kolbenbewegung wie beispielsweise in einer zylindrischen Pumpenkammer ausgeführt wird. Dabei sind sowohl Pumpenbaugruppen mit einem bidirektional wirkenden Kolben als auch mit z.B. zwei getrennt angelenkten Kolben sowie Bauweisen mit oder ohne Doppelhup-Prinzip für den erfindungsgemäße Pumpenantrieb geeignet.