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Die
Erfindung betrifft eine elektromagnetische Hydraulikpumpe gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Aus
der
DE 42 24 084 A1 ist
bereits eine elektromagnetische Hydraulikpumpe bekannt. Bei dieser
Hydraulikpumpe ragt ein axialfest mit einem Anker verbundener Kolben
axial in eine zentrische Ausnehmung eines Polkerns. In der fluidgefüllten zentrischen
Ausnehmung ist ein hydraulischer Druck herstellbar. Dazu ist der
Kolben in der Ausnehmung druckdicht geführt. Die einander zugewandten
Stirnflächen
von Polkern und Anker sind parallel zueinander und senkrecht zum
Kolben ausgerichtet.
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Aus
der
DE 382 940 A ist
es bereits bekannt, für
eine Flüssigkeitspumpe
mehrere axial hintereinander angeordnete elektromagnetische Stellglieder vorzusehen.
Dabei ist der Anker des einen Stellgliedes mit einer Stößelstange
fest verschraubt ist, die über
ein Gelenk mit dem Gehäuse
des nächsten elektromagnetischen
Stellgliedes gekoppelt ist, das wiederum einen Anker aufweist, der
mit einer Stößelstange
fest verschraubt ist.
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Aus
der gattungsfremden
DE
197 36 734 A1 ist ein lineares Stellglied bekannt. Bei
diesem wird eine elektromotorische Rotationsbewegung in eine Linearbewegung
eines Kolbens umgewandelt. Dazu ist ein Planetengetriebe vorgesehen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine konstruktiv einfach aufgebaute Pumpe
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
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Gemäß einem
Vorteil der Erfindung wird ein hydraulischer Druck aufgebracht,
ohne dass sich die Bewegungsrichtungen
- – eines
elektromagnetischen Stellgliedes und
- – eines
Kolbens
zum Aufbringen des hydraulischen Druckes unterscheiden.
Der Kolben ist dazu axialfest mit einem Anker des elektromagnetischen
Stellgliedes gekoppelt. Eine Innenwand einer Ausnehmung im Polkern übernimmt
in kostengünstiger
und Bauraum sparender Weise für
den Kolben die Funktion der Zylinderlaufbahn.
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Um
auch ohne Übersetzungsgetriebe
einen ausreichenden Druck im Hydraulikfluid zu erreichen, ist der
Durchmesser des Ankers größer als
der Durchmesser des Kolbens. Der große Durchmesser am Anker gewährt dabei
eine große
Kraft des Kolbens, dessen kleiner Durchmesser einen hohen Druck
gewährleistet.
Der Polkern kann in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung
lagernde Funktion übernehmen.
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Dabei
ragt der Kolben in besonders vorteilhafter Weise in den Polkern
des elektromagnetischen Stellgliedes. Eine Dichtung zwischen dem
Kolben und dem Polkern stellt in diesem Bereich eine Dichtheit auch
dann sicher, wenn das Radialspiel zwischen einer Ausnehmung im Polkern
und dem Kolben relativ groß ist.
Dieses Radialspiel verhindert ein Ankleben des Kolbens, falls dieser
aus magnetisierbarem Werkstoff gefertigt ist, was insbesondere bei einer
einteiligen Ausführung
von Kolben und Anker der Fall ist. Ferner stellt ein großes Radialspiel
sicher, dass die Reibungsverluste am Kolben nur gering sind.
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Ein
Zapfen am äußeren bzw.
vorderen Ende des Polkerns ermöglicht
eine besonders einfache Montage der Hydraulikpumpe, wobei dieser
Zapfen zugleich eine axiale Länge
der Zylinderlaufbahn für den
Kolben zum Aufbringen des Druckes aufweist.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein
zweigeteilter Dichtring vorgesehen, der stick-slip-Effekte minimiert,
so dass die Hydraulikpumpe exakt regelbar ist.
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Zur
exakten Regelung kann auch in einer Nut des Ankers ein die Reibung
vermindernder geschlitzter Führungsring
eingesetzt sein.
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In
besonders vorteilhafter Weise kann die Kraft des Stellgliedes über den
Weg linearisiert sein. Dazu sind die einander zugewandte Stirnflächen von Polkern
und Anker korrespondierend konisch angeschrägt.
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Zur
Kompensation von Leckageverluste des Hydraulikfluids ist eine entsprechende
Einrichtung vorgesehen, die beispielsweise innerhalb des mit Hydraulikdruck
zu versorgenden Aggregates vorgesehen sein kann. In einer besonders
vorteilhaften Ausgestaltung ist diese Einrichtung zur Kompensation von
Leckageverlusten in der Hydraulikpumpe selbst angeordnet. Dabei
kann beispielsweise ein vom Hochdruckraum in den Ankerraum führender
Kanal innerhalb des Kolbens angeordnet sein. Ein weiterer Kanal
führt dann
von diesem Ankerraum über
den Polkern zum Tank. Somit ist die Hydraulikölversorgung des Aggregates
mit Hydrauliköl
aus dem Tank sicher gestellt. Um dennoch auch Druck aufbauen zu können, kann
ein Rückschlagventil
in einem der beiden Kanäle
vorgesehen sein.
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Weitere
Vorteile der Erfindung gehen aus den weiteren Patentansprüchen, der
Beschreibung und der Zeichnung vor.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Dabei
zeigen
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1 eine
elektromagnetische Hydraulikpumpe mit einem Polkern, einem Anker,
einem Kolben und einer Dichtung,
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2 die
Dichtung aus 1 in einem Detail und
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3 in
einer zweiten Ausgestaltungsform einen Polkern, einen Anker und
einen Kolben,
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4 in
einer dritten Ausgestaltungsform einen Polkern einen Anker und einen
Kolben,
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5 in
einer vierten Ausgestaltungsform eine elektromagnetische Hydraulikpumpe
und
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6 in
einer fünften
Ausgestaltungsform ein Detail einer elektromagnetischen Hydraulikpumpe.
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1 zeigt
in einer geschnittenen Darstellung eine elektromagnetische Hydraulikpumpe 1. Diese
umfasst eine Spule 2, an die über einen nicht näher dargestellten
Anschlussstecker eine Versorgungsspannung anlegbar ist. Diese Versorgungsspannung
kann insbesondere eine Gleichspannung sein. Ebenso kann eine Wechselspannung über Brückengleichrichter,
eine pulsweitenmodulierte Spannung oder es können auch Dithersignale auf
einer Gleichspannung angelegt werden. Mit der Hydraulikpumpe 1 ist
ein hydraulischer Druck erzeugbar, der weitgehend proportional zum
angelegten Strom und unabhängig
vom Weg ist.
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Die
Spule 2 ist in einen Spulenträger 3 aus nicht leitendem
Kunststoff eingesetzt bzw. von diesem umspritzt. Dabei weist der
Spulenträger 3 am vorderen
Ende einen radial nach innen ragenden Bund 4 auf. Dieser
Spulenträger 3 ist
gemeinsam mit der Spule 2 in ein topfförmiges Gehäuse 5 aus magnetisierbarem
Stahlblech eingesetzt. Am unteren Ende stützt sich die Spule 2 über eine
Polscheibe 6 am ringförmig
radial nach innen ragenden Boden 7 des topfförmigen Gehäuses 5 ab.
Diese Polscheibe 6 ist sehr dick. Diese Dicke h ist notwenig,
da ein großer
Durchmesser DA eines weiter unten erläuterten Ankers 26 ein
geringes Radialmaß r
des der Polscheibe 6 notwendig macht. Eine solches geringes Radialmaß r bedingt
jedoch am Übergangsbereich des
magnetischen Flusses von der Polscheibe 6 zum Anker 26 eine
große
Fläche
F.
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In
die sich innerhalb der Polscheibe 6 bildenden kreisrunde
Bodenausnehmung 8 ragt der Boden 9 eines nicht
magnetischen Edelstahltopfes 10. Von diesem Boden 9 aus
verläuft
der Edelstahltopf 10 axial über das vordere Ende der Spule 2 bis
zum Bund 4 des Spulenträgers 3.
Vorne an diesem Bund 4 liegt eine Stirnfläche 11 eines
Ringes 12 von einem Polkern 13 an. Von einer Innenkante
dieses Ringes 12 erstreckt sich
- – in die
axial nach vorne weisende Richtung ein vorderer Zapfen 14 und
- – in
die axial nach hinten weisende Richtung ein hinterer Zapfen 15.
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Am
Außenumfang
des hinteren Zapfens 15 liegt der Rand des Edelstahltopfes 10 an,
so dass sich dort eine Grenzfläche 16 bildet.
Dabei dichtet ein in eine Ringnut des hinteren Zapfens 15 eingesetzter O-Ring 17 diese
Grenzfläche 16 ab,
so dass der dahinter liegende Spalt an der Stirnfläche 11 vor
dem Eindringen von Hydraulikfluid geschützt ist. Demzufolge kann auch
kein Hydraulikfluid entlang einem Außenspalt 18 zwischen
dem Gehäuse 5 und
dem Polkern 13 in die Umwelt gelangen. In dem Bereich dieses
Außenspaltes 18 ist
das Gehäuse 5 fest
mit dem Polkern 13 verbördelt.
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Der
vordere Zapfen 14 ist in eine Bohrung eines Aufnahmegehäuses 19 eingesteckt
und in nicht näher
dargestellter Weise axialfest mit dem Aufnahmegehäuse 19 verbunden.
Zur Herstellung dieser Verbindung kann beispielsweise eine Verschraubung,
ein Axial-Sicherungsring oder ein Stift verwendet werden. Am vorderen
Ende des vordere Zapfens 14 ist eine Ringnut mit einem
O-Ring 20 vorgesehen, welche diesen Bereich abdichtet.
Somit kann das von der Hydraulikpumpe 1 unter Druck gesetzte
Hydraulikfluid nicht aus einen unter Druck zu setzenden Hochdruckbereich 21 in
die Umwelt gelangen, falls die Hydraulikpumpe 1 nicht in
einem im Ölbad
stehenden Bereich eingesetzt wird. Ein weiterer O-Ring 22 in
einer Nut des Aufnahmegehäuses 19 dichtet den
Tank T gegen die Umgebung ab.
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Zur
Herstellung des Druckes ragt ein Kolben 23 axial in eine
zentrische durchgehende Ausnehmung 38 des Polkerns 13.
Der Kolben 23 weist ein Radialspiel zum Polkern 13 auf.
Der Kolben 23 ist aus einem nicht-magnetisierbaren Werkstoff
gefertigt und bewegungsfest mit dem Anker 26 verbunden. Dazu
ist der Kolben 23 in eine Ausnehmung des Ankers 26 eingepresst.
Ein zweigeteilter Dichtring 24 mit besonders geringer Klebneigung
ist vorgesehen, der dieses Radialspiel überbrückt und damit den unter Druck
zu setzenden Hochdruckbereich 21 gegen einen vorderen Ankerraum 28 innerhalb
des Edelstahltopfes 10 abdichtet. Dazu ist dieser zweigeteilte Dichtring 24 in
eine Ringnut am Ende des Kolbens 23 eingesetzt und liegt
an einer Zylinderlaufbahn bzw. Innenwand 42 der zentrischen
Ausnehmung im Polkern 13 an.
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Dieser
zweigeteilte Dichtring 24 ist im Detail gemäß 2 gezeigt.
Dabei umfasst dieser einen in die Ringnut eingesetzten O-Ring 40 und
einen an der Innenwand 42 anliegenden gestuften Kunststoffring 41.
Die Stufe des Kunststoffringes 41 ist druckseitig.
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Dabei
stützt
sich der relativ weit vom Anker 26 hinfort erstreckende
Kolben 23 zum Teil auch radial über den zweigeteilten Dichtring 24 am
Polkern 13 ab. In die nach hinten weisende Richtung verjüngt sich
der hintere Zapfen 15 des Polkerns 13 über eine konisch
ausgeformte Stirnfläche 43.
Der Anker 26 weist korrespondierend dazu eine Stirnfläche 25 auf, die
somit parallel zur Stirnfläche 43 des
Polkerns 13 ebenfalls eine konische Form aufweist. Diese
vordere Stirnfläche 25 des
Ankers 26 erstreckt sich radial vom Kolben 23 bis
zum maximalen Durchmesser DA, der erheblich über dem
Durchmesser DK des Kolbens 23 liegt.
Der Anker 26 ist über
seine axiale Länge
am Durchmesser DA innerhalb des Edelstahltopfs 10 geführt. Am
hinteren Ende des Ankers 26 ist eine Ringnut vorgesehen,
in die ein die Reibung vermindernder geschlitzter Führungsring 27 eingesetzt
ist, welcher an der Innenwand des Edelstahltopfes 10 anliegt
und somit den Anker 26 linearverschieblich in dem Edelstahltopf 10 lagert.
Dabei bildet sich
- – sowohl zwischen dem Anker 26 und
dem Edelstahltopf 10
- – als
auch zwischen dem Führungsring 27 und dem
Edelstahltopf 10
ein Ölfilm des Hydraulikfluids,
der im Bereich des Führungsrings 27 extrem
dünn ist,
so dass dort die besonderen Materialeigenschaften des Führungsrings 27 zu
einer Reduktion der Reibung des Ankers 26 gegenüber dem
Edelstahltopf 10 führen.
Der Führungsring 27 weist
einen Schlitz 45 im Schrägschnitt auf. Dieser Schlitz 45 ist
relativ breit ausgeführt,
so dass das beim Ein- und Ausfahren des Ankers 26 durch
diesen Schlitz 45 hindurch tretendes Hydraulikfluid nur
im geringen Maße
drosselt.
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Im
Anker 26 ist zusätzlich
ein Kanal 88 vorgesehen, der den Druckausgleich zwischen
dem vorderen Ankerraum 28 und einem hinteren Ankerraum 87 herstellt.
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Dadurch,
dass die dem Anker 26 zugewandte Stirnseite 43 des
hinteren Zapfens 15 parallel zur konischen Stirnfläche 25 verläuft, steigt
die Kraft des Ankers 26 linear über den Weg.
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Im
Kolben 23 ist ausgehend von dessen Stirnseite 32 eine
zentrische Bohrung 29 vorgesehen, die in eine Querbohrung 30 mündet, welche
in den vorderen Ankerraum 28 innerhalb des Edelstahltopfes 10 führt. In
diese zentrische Bohrung 29 ist ein Rückschlagventil 31 eingepresst,
welches gegen Druck aus dem Hochdruckbereich 21 sperrt
und in die entgegen gesetzte Richtung – d. h. bei höherem Druck
in dem vorderen Ankerraum 28 – Hydraulikfluid in den Hochdruckbereich 21 fließen lässt. Mittels
dieses Rückschlagventils 31 können somit
Leckageverlust im Hochdruckbereich 21 ausgeglichen werden, die
auch am Dichtring 24, aber insbesondere im von der Hydraulikpumpe 1 zu
beaufschlagenden Aggregat entstehen können. Das durch diesen Volumenausgleich
dann im vorderen Ankerraum 28 fehlende Hydraulikfluid wird
beim Verschieben des Ankers 26 in eine linke Endposition über einen
Kanal 33 aus einem Tank T gesaugt. Dazu ist im Polkern 13 eine Bohrung 35 parallel
zu einer Längsachse 34 der
Hydraulikpumpe 1 vorgesehen. Diese Bohrung 35 mündet in
eine Querbohrung 36, die aus dem Polkern 13 heraus
in eine Tankzuleitungsbohrung 37 führt. Neben dem Ausgleich von
Leckageverlusten ist eine weitere wichtige Funktion des Rückschlagventils 31, den
Hochdruckbereich 21 mit Öl zu befüllen und damit zu entlüften.
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Für eine bessere
Ansteuerbarkeit der Hydraulikpumpe 1 ist eine nichtmagnetische
Antiklebscheibe 86 vorgesehen, die an dem Polkern 13 anliegt.
Dabei liegt diese Antiklebscheibe 86 an der dem Anker 26 zugewandten
Stirnfläche 43 des
hinteren Zapfens 15 an.
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3 zeigt
in einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel einen Anker 126 mit
einem Kolben 123 und einem Polkern 113. Im Unterschied
zum vorangegangenen Ausgestaltungsbeispiel sind die beiden einander
zugewandten Stirnflächen 60, 61 von
Polkern 113 und Anker 126 in einem radial innen
liegenden Bereich senkrecht zu einer Längsachse 134 des Ankers 126 ausgerichtet.
Es befinden sich korrespondierende konische Flächen 143, 125 radial
außen.
Neben dem damit gegenüber
dem ersten Ausgestaltungsbeispiel veränderten Verlauf der Magnetkraft über den
Weg wird ferner erreicht, dass ein Bohrer zur Herstellung der Bohrung 135 zum
Tank T auf der senkrecht zur Bohrrichtung stehenden Stirnfläche 61 angreift,
was einen Fertigungsvorteil darstellt.
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Ein
Schlitz 145 eines geschlitzten Führungsringes 127 ist
gerade – d.
h. parallel zur Längsachse 134 des
Ankers 126 – ausgerichtet.
Der im ersten Ausgestaltungsbeispiel gezeigte schräge Schlitz 45 hat
gegenüber
dem geraden Schlitz 145 den Vorteil, dass der Führungsring 127 über den
gesamten Umfang des Ankers 26 anliegt.
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4 zeigt
in einem weiteren Ausgestaltungsbeispiel einen Anker 226 mit
einem Kolben 223 und einem Polkern 213. Im Unterschied
zu der ersten Ausgestaltungsform sind die beiden einander zugewandten
Stirnflächen 260, 261 von
Polkern 213 und Anker 226 in einem radial außen liegenden
Bereich senkrecht zu einer Längsachse 134 des
Ankers 226 ausgerichtet. Es befinden sich korrespondierende konische
Flächen 243, 225 radial
innen. Damit wird gegenüber
den anderen beiden Ausgestaltungsbeispielen ein Verlauf der Magnetkraft über den
Weg verändert.
Ferner wird erreicht, dass ein Bohrer zur Herstellung der Bohrung 235 zum
Tank T auf der senkrecht zur Bohrrichtung stehenden Stirnfläche 261 angreift,
was einen Fertigungsvorteil darstellt. Die senkrechten Stirnflächen 260, 261 können als Auflagefläche für eine Schraubendruckfeder 200 dienen,
die als Rückstellfeder
wirkt. Diese Schraubendruckfeder 200 stellt den Anker in
eine vom Polkern 213 fern stehende Grundstellung, wenn
an der Spule 2 keine Spannung anliegt.
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In
den drei Ausgestaltungsformen 1, 3 und 4 sind
die einander zugewandte Stirnflächen 43, 25 bzw. 143, 125 bzw. 243, 225 von
Polkern 13, 113, 213 und Anker 26, 126, 226 derart
korrespondierend konisch angeschrägt, dass diese Stirnflächen 43, 25 bzw. 143, 125 bzw. 243, 225 radial
von innen nach radial außen
in die nach vorne weisende Richtung geneigt sind. 5 zeigt
hingegen eine vierte Ausgestaltungsform einer elektromagnetischen
Hydraulikpumpe 301, bei der dies nicht so ist. So sind
gemäß 5 die
konisch angeschrägten Stirnflächen 325, 343 entgegengesetzt
den konisch angeschrägten
Stirnflächen 25, 43, 125, 143, 225, 243 der
vorangegangenen Ausgestaltungsformen 1, 3, 4 ausgeführt. Demzufolge
sind die einander zugewandte Stirnflächen 343, 325 von
dem Polkern 313 und dem Anker 326 derart korrespondierend
konisch angeschrägt,
dass diese Stirnflächen 343, 325 radial
von innen nach radial außen
in die nach hinten weisende Richtung geneigt sind.
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Im
Anker 326 ist ferner im Unterschied zu den vorangegangenen
Ausgestaltungsformen eine durchgehende zentrische Ausnehmung vorgesehen, in
die der Kolben 323 eingepresst ist.
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6 zeigt
in einer fünften
Ausgestaltungsform ein Detail einer elektromagnetischen Hydraulikpumpe 401.
Diese ist mit einem Proportionalmagneten ausgeführt. Dabei ist zwischen dem
Polkern 413 und einem Joch 406 ein Spalt 499 vorgesehen,
durch den der Edelstahltopf 410 hindurch ragt. Die einander zugewandten
Stirnflächen 460, 461 von
Polkern 413 und Anker 426 sind dabei analog den
radial inneren Stirnflächen 60, 61 gemäß 3 senkrecht
zu einer Längsachse 434 des
Ankers 413 ausgerichtet.
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In
einer weiteren zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsform
der Erfindung wird anstelle der zweigeteilten Dichtring 24 ein
O-Ring verwendet.
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Insbesondere
zur Abdichtung des Polkerns 13 bzw. 113 bzw. 213 gegenüber dem
Aufnahmegehäuse 19 sind
beliebige Anordnungen der O-Ringe bzw. anderer Dichtringe denkbar.
Die Fixierung des Polkerns 13 bzw. 113 bzw. 213 gegenüber dem
Aufnahmegehäuse 19 kann
beispielsweise mit einem Stift oder alternativ mit einer Verschraubung
erfolgen.
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Anstelle
einer Bohrung mit einer verbindenden Querbohrung kann auch eine
einzige schräge Bohrung
vorgesehen sein. Dies betrifft sowohl die beiden aus dem vorderen Ankerraum 28 zum
Tank T führenden
Bohrungen als auch die beiden vom vorderen Ankerraum 28 über ein
Rückschlagventil 31 zum
Hochdruckbereich 21 führenden
Bohrungen.
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Die
radiale Abstützung
des Ankers muss nicht über
die gesamte axiale Länge
des Ankers führen.
Es kann beispielsweise auch Lagerung mit zwei Auflagern vorgesehen
sein, wobei das eine Auflager von dem Führungsring und das andere Auflager
von dem zweigeteilten Dichtring, der auch einteilig sein kann, gebildet
wird. Der Schlitz im Führungsring
kann auch besonders klein sein, um eine Drosselungswirkung zu erzielen,
welche die Ein- bzw. Ausfahrgeschwindigkeit gering hält.
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Die
als Edelstahltopf ausgeführte
Buchse kann auch aus einem anderen Material, wie beispielsweise
Messing hergestellt sein. Auch kann eine reibwertvermindernde Beschichtung
auf der Innenwand der Buchse und/oder auf dem Anker und/oder auf
dem Kolben und/oder der Innenwand des Polkerns vorgesehen sein.
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Der
Kolben kann gegenüber
dem Anker auch ausschließlich
axialfest sein. D. h. radiale und/oder rotatorische Relativbeweglichkeit
wäre möglich.
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Anstelle
der zentrischen Bohrung im Kolben kann zum Ausgleich von Hydraulikfluidverlusten
im Hochdruckbereich auch eine Schnüffelbohrung vorgesehen sein.
Diese Schnüffelbohrung
ist dann im Polkern vorgesehen. Die Schnüffelbohrung wird bei ausgefahrenem
Kolben durch diesen gesperrt und bei eingefahrenem Kolben von diesem
zum Hochdruckbereich freigegeben.
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Bei
den beschriebenen Ausführungsformen handelt
es sich nur um beispielhafte Ausgestaltungen. Eine Kombination der
beschriebenen Merkmale für
unterschiedliche Ausführungsformen
ist ebenfalls möglich.
Weitere, insbesondere nicht beschriebene Merkmale der zur Erfindung
gehörenden
Vorrichtungsteile, sind den in den Zeichnungen dargestellten Geometrien
der Vorrichtungsteile zu entnehmen.