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Die Erfindung betrifft eine elektrohydraulische Betätigungseinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren für deren Betrieb.
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Nach dem Einschalten des elektrischen Antriebsmotors einer elektrohydraulischen Betätigungseinheit wird durch diesen eine hydraulische Kreiselpumpe in einer Kolben-Zylindereinheit angetrieben, worauf der durch die Kreiselpumpe erzeugte hydraulische Druck den Kolben von einer Anfangs- in eine Endstellung linear bewegt. In der Endstellung wird der Kolben dadurch gehalten, dass der Antriebsmotor eingeschaltet bleibt und somit der hydraulische Druck aufrechterhalten wird. Mit dem Kolben verbunden ist eine Kolbenstange, welche die lineare Bewegung auf das anzutreibende Element überträgt.
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Ein wesentliches Merkmal einer elektrohydraulischen Betätigungseinheit ist, dass nach Abschalten des elektrischen Antriebsmotors der Kolben und mit ihm die Kolbenstange sowie das anzutreibende Element durch eine mechanische Kraft beispielsweise mittels Federn oder Gewichten zurück in die Anfangstellung bewegt werden. Diese Anfangstellung des Kolbens entspricht einem Ruhezustand und insbesondere bei Bremsen dem Zustand ”Bremse geschlossen”. In diesem Zustand wird z. B. in der Kran- und Fördertechnik die Bewegung eines Kranelementes verhindert. Durch dieses ausfallsichere Prinzip (auch als fail-safe-Prinzip bekannt) wird gewährleistet, dass auch bei Auftreten eines Fehlers wie z. B. Ausfall der Spannungsversorgung für den elektrischen Antriebsmotor der Betätigungseinheit, eine Bremsung bzw. ein Halten des anzutreibenden Elementes zuverlässig erfolgt.
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Diese Funktionsweise einer elektrohydraulischen Betätigungseinheit in der bisher bekannten Ausführung bedeutet, dass während der Betriebsdauer, also wenn sich der Kolben in der Endstellung befindet und somit die Bremse geöffnet ist, der elektrische Antriebsmotor der Betätigungseinheit in Betrieb sein muss und dabei elektrische Energie verbraucht, weil die von dem Antriebsmotor angetriebene Pumpe den hydraulischen Druck am Kolben aufrechterhalten muss. Ein Halten des Kolbens in dieser Endstellung mittels mechanischer Verriegelung anstelle durch Betrieb des elektrischen Antriebsmotors wird ausgeschlossen, weil damit das ausfallsichere (fail-safe-)Prinzip, nicht eingehalten würde.
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Grundsätzlich ist dieses ausfallsichere Prinzip einer elektrohydraulischen Betätigungs- oder Hubeinheit nicht auf den Einsatz in Bremsen beschränkt, sondern es kann überall dort angewendet werden, wo z. B. bei Ausfall der Spannungsversorgung die Anfangstellung einer linearen Bewegung wieder erreicht werden muss.
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Aufgabe der Erfindung ist, eine elektrohydraulische Betätigungseinheit so auszubilden, dass sie beim Halten des Kolbens in seiner Endstellung weniger elektrische Energie benötigt als in der bisher bekannten Ausführung.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass in der elektrohydraulischen Betätigungseinheit ein elektrisch betriebener, vorzugsweise topfförmiger Haltemagnet für den Kolben vorgesehen ist, der anstelle des elektrischen Antriebsmotors den Kolben in der Endstellung hält. Hierbei wird für die Energieversorgung des Haltemagneten weniger elektrische Energie benötigt als für den Betrieb des Antriebsmotors der elektrohydraulischen Betätigungseinheit.
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Vorteilhafter Weise wird der Elektromagnet so ausgelegt, dass seine Haltekraft größer als die Stell- bzw. Hubkraft der elektrohydraulischen Betätigungseinheit ist, damit der Kolben auch bei Erschütterungen der Betätigungseinheit zuverlässig gehalten wird.
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Zur Erzielung einer hohen Haltekraft wird der Haltemagnet vorzugsweise so ausgebildet, dass dieser symmetrisch um die Kolbenstange angeordnet ist. Weiterhin wird zur Vereinfachung der Installation der elektrohydraulischen Betätigungseinheit an oder innerhalb dieser eine elektrische Schaltung vorgesehen, welche das Ein- und Ausschalten des Haltemagneten und des Antriebsmotors der elektrohydraulischen Betätigungseinheit übernimmt und dabei das fail-safe-Prinzip gewährleistet.
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Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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1 einen Längsschnitt durch eine elektrohydraulische Betätigungseinheit, bei der sich der Kolben in der Anfangstellung befindet,
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2 in gleicher Ansicht den Kolben in der Endstellung.
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Die 1 und 2 zeigen eine elektrohydraulische Betätigungs- bzw. Hubeinheit mit einem Führungs- bzw. Hydraulikzylinder 1, in dem ein Kolben 2 durch den Druck einer hydraulischen Pumpe 5 aus der in 1 wiedergegebenen Anfangstellung nach links in die in 2 wiedergegebene Endstellung verstellbar ist. Der Kolben 2 ist mit einer Kolbenstange 3 verbunden, die am freien Ende mit einem nicht dargestellten anzutreibenden Element, beispielsweise einer Trommel- oder Scheibenbremse verbunden ist. In einem Gehäuse 7 der Betätigungseinheit ist ein Lagerschild 4 befestigt, in dem die Pumpe 5 in Form eines Flügelrades drehbar gelagert ist, das über eine Welle 6.1 von einem elektrischen Antriebsmotor 6 angetrieben wird. Diese Pumpe 5 erzeugt den hydraulischen Druck, der mittels der im Zylinder 1 enthaltenen Hydraulikflüssigkeit auf den Kolben 2 wirkt und diesen bewegt. Die Pumpe 5 kann auch aus mehreren Flügelrädern bestehen.
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Der Hydraulikzylinder 1 ist von dem Gehäuse 7 umgeben, welches auch das Gehäuse für den Antriebsmotor 6 bildet. Außen an diesem Gehäuse 7 befindet sich ein Anschlusskasten 8, über den die Versorgung des Antriebsmotors 6 mit einer Dreiphasenwechselspannung erfolgt. In dem Hohlraum zwischen Hydraulikzylinder 1 und Gehäuse 7 zirkuliert die Hydraulikflüssigkeit, welche von der Pumpe 5 angesaugt wird.
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In den 1 und 2 ist ein Haltemagnet 9 an der Stirnseite 1.1 des Hydraulikzylinders 1 wiedergegeben, wobei 1 die Anfangstellung wiedergibt, in der der Kolben 2 aus ferromagnetischem Material z. B. durch eine nicht dargestellte Feder bzw. ein Gewicht in seiner Anfangstellung gehalten wird. 2 zeigt die Endstellung des Kolbens 2, in der der Kolben 2 am Haltemagneten 9 anliegt und durch den Haltemagneten 9 gehalten wird.
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Vorzugsweise ist an der Stirnseite 1.1 des Hydraulikzylinders 1 ein topfförmiger Haltemagnet 9 befestigt. Der Haltemagnet 9 weist einen ferromagnetischen hohlzylindrischen Eisenkern 9.1 auf, der einen U-förmigen Querschnitt hat und mit einer Wicklung 9.2 ausgefüllt ist. Der Eisenkern 9.1 des Haltemagneten 9 kann z. B. mit Schrauben an der Stirnseite 1.1 des Hydraulikzylinders 1 befestigt sein.
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Der ferromagnetische Eisenkern 9.1 mit der Wicklung 9.2 wirkt mit dem ferromagnetischen Kolben 2 in der in 2 wiedergegebenen Endstellung derart zusammen, dass bei Spannungsversorgung der Wicklung 9.2 der Kolben 2 als Anker, durch den der Magnetfluss verläuft, am Haltemagneten 9 gehalten wird.
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Der Eisenkern 9.1 ist weiterhin so ausgebildet, dass er nach dem Abschalten der elektrischen Versorgungsspannung eine möglichst kurze Abfallzeit erreicht und somit die Bewegung in die Endstellung unverzüglich einsetzt. Die Dauer der Rückführung des Kolbens 2 von der End- in die Anfangstellung ist bei Einsatz des Haltemagneten 9 kleiner bis maximal gleich der Dauer der Rückführung bei einer herkömmlichen Bauform.
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Zum Erreichen einer kurzen Abschaltzeit des Haltemagneten 9 kann der Eisenkern 9.1 eine Einfräsung aufweisen oder auch aus Blechen aufgebaut sein, um den Einfluss von Wirbelströmen zu verringern.
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Die Magnetkraft des Haltemagneten 9 wird vorzugsweise so ausgelegt, dass sie größer als die Hub- bzw. Stellkraft der elektrohydraulischen Betätigungseinheit ist, um sicherzustellen, dass der Kolben 2 auch bei Erschütterungen der Betätigungseinheit sicher gehalten wird. Beispielsweise kann die Haltekraft des Magneten 9 wenigstens dem 1,5-fachen der Hub- bzw. Stellkraft entsprechen.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegt der ferromagnetische Kolben 2 mit einer ebenen Fläche an der ebenen Stirnfläche des Haltemagneten 9 an. Allerdings ist diese Anordnung nicht zwingend. Es kann z. B. auch ein Kolben 2 mit aufliegendem ringförmigem Anker vorgesehen werden, sodass der Kolben 2 nur teilweise aus ferromagnetischem Material besteht.
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Der Hydraulikzylinder 1 wird auf dem Innenumfang so ausgebildet, dass der Kolben 2 in der Endstellung der 2 nur an dem Haltemagneten 9 anliegt, so dass die Bildung eines Spaltes zwischen Haltemagnet 9 und Kolben 2 verhindert wird. Um den Luftspalt zwischen Haltemagnet 9 und Kolben 2 so klein wie möglich zu halten, können die anliegenden Flächen entsprechend bearbeitet sein oder auch eine andere Geometrie aufweisen als die in 1 und 2 wiedergegebene ebene Fläche.
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Vorzugsweise ist in dem Anschlusskasten 8 oder auch im Inneren der elektrohydraulischen Betätigungseinheit eine im Einzelnen nicht dargestellte elektrische Schaltung vorgesehen, mittels der die Wicklung 9.2 des Haltemagneten 9 mit Spannung versorgt wird. Die Spannungsversorgung des Haltemagneten 9 erfolgt aus der Dreiphasenwechselspannung des elektrischen Antriebsmotors 6. Damit wird erreicht, dass keine separaten Versorgungsleitungen oder Schalteinrichtungen außerhalb der elektrohydraulischen Betätigungseinheit erforderlich sind. Diese elektrische Schaltung arbeitet vorzugsweise derart, dass der Haltemagnet 9 gleichzeitig mit dem Antriebsmotor 6 eingeschaltet wird. Wenn der Kolben 2 die Endstellung entsprechend 2 erreicht und somit den magnetischen Kreis des Haltemagneten 9 schließt, wird der Antriebsmotor 6 ausgeschaltet, während die Spannungsversorgung des Haltemagneten 9 aufrechterhalten wird. In diesem Zustand wird der Kolben 2 nur durch den Haltemagneten 9 in der Endstellung gehalten, ohne dass auf der Seite der Pumpe 5 ein hydraulischer Druck zum Halten des Kolbens 2 in der Endstellung aufgebaut bleibt.
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Bei Unterbrechung der Spannungsversorgung der elektrohydraulischen Betätigungseinheit und damit auch des Haltemagneten 9 fällt dessen Haltekraft auf den Wert Null und der Kolben 2 wird durch eine mechanische Kraft, beispielsweise durch eine nicht dargestellte Feder bzw. ein Gewicht, in die Anfangstellung entsprechend der 1 zurückbewegt. Auf diese Weise wird das ausfallsichere (fail-safe-)Prinzip auch dann gewährleistet, wenn der Kolben 2 in der Endstellung nur durch den Haltemagneten 9 gehalten wird.
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Dadurch, dass in der Endstellung auf der Druckseite des Kolbens 2 kein hydraulischer Druck vorliegt, wird bei Spannungsausfall die Rückstellung des Kolbens durch die vorgesehene mechanische Rückstellkraft in die Anfangstellung begünstigt gegenüber der bekannten Bauform, bei der auch nach Spannungsausfall oder Ausschalten – bedingt durch das Auslaufen des elektrischen Antriebsmotors – die Pumpe noch hydraulischen Druck auf der Druckseite des Kolbens 2 ausübt.
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Der Haltemagnet 9 verbraucht zum Halten des Kolbens 2 höchstens 10% der elektrischen Energie, die für den Betrieb des Antriebsmotors 6 benötigt wird, um durch den aufgebauten hydraulischen Druck den Kolben in der Endstellung zu halten. Somit wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine erhebliche Einsparung an elektrischer Antriebsenergie erreicht, ohne dass die zuverlässige Arbeitsweise der Betätigungseinheit beeinträchtigt wird.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird in der Betätigungseinheit wenigstens ein Positionssensor oder ein Endlagenschalter vorgesehen, mittels dem die Endstellung des Kolbens ermittelt wird. Nach dem Erreichen der Endlage des Kolbens wird durch ein Signal von dem Positionssensor bzw. Endlagenschalter der Antriebsmotor 6 abgeschaltet, worauf der Kolben 2 durch den Haltemagneten 9 in der Endstellung verharrt, bis die anliegende Drei-Phasen-Wechselspannung abgeschaltet wird.
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Anstelle eines Positionssensors oder Endlagenschalters kann auch aus den elektrischen Daten (z. B. der Stromaufnahme nach dem Schließen des magnetischen Kreises durch den Kolben 2) des Haltemagneten 9 die Endstellung des Kolbens abgeleitet und für die Abschaltung des Antriebsmotors 6 verwendet werden.
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Die im einzelnen nicht dargestellte, in der Betätigungseinheit vorzugsweise integrierte elektrische Schaltung umfasst eine Steuerelektronik, eine Positionserfassung sowie einen Leistungsschalter. Die elektrische Schaltung und der Haltemagnet 9 werden aus der Dreiphasenwechselspannung versorgt, welche über den Anschlusskasten 8 an die elektrohydraulischen Betätigungseinheit angeschlossen ist. Der Haltemagnet 9 wird aus einer abgeleiteten Spannung der Dreiphasenwechselspannung gespeist und ist solange eingeschaltet, solange die Dreiphasenwechselspannung eingeschaltet bleibt.
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Die Steuerelektronik schaltet mittels des elektronischen bzw. elektromechanischen Leistungsschalters in Abhängigkeit von der Position des Kolbens 2 den Antriebsmotor 6 solange ein, bis der Kolben 2 die Endstellung erreicht hat und der magnetische Kreis des Haltemagneten 9 geschlossen wird.
