DE102019131171A1

DE102019131171A1 - Elektrohydraulischer Aktuator für den Einsatz unter Wasser und elektrisch angetriebene Pumpe für einen solchen elektrohydraulischen Aktuator

Info

Publication number: DE102019131171A1
Application number: DE102019131171.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Täuber
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2021-05-20
Also published as: WO2021099025A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrohydraulischen Aktuator für den Einsatz unter Wassermit einer elektrisch angetriebenen Pumpe,mit wenigstens einem Hydraulikzylinder, umfassend wenigstens eine oder zwei Zylinderkammern, einen verschiebbaren, die Zylinderkammer(n) begrenzenden Kolben, der an wenigstens einer wechselseitig ein- und ausfahrbaren Zylinderstange angeschlossen ist;mit einem Ventil in einer Hydraulikverbindung zwischen der Pumpe und dem Hydraulikzylinder.Der erfindungsgemäße elektrohydraulische Aktuator dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch angetriebene Pumpe einen Zylinderraum aufweist, der durch einen verschiebbaren Pumpenkolben begrenzt wird und durch Verschieben des Pumpenkolbens in seinem Volumen veränderbar ist, wobei der Zylinderraum einen Saugeinlass und einen Druckauslass aufweist, und ein elektrischer Antrieb der Pumpe in die Pumpe integriert ist und einen Elektromagneten aufweist, der den Pumpenkolben zu dessen Verschiebung zumindest mittelbar mit einer Magnetkraft entgegen der Kraft eines Federelementes beaufschlagt, wobei dem Elektromagneten eine Steuervorrichtung zugeordnet ist, die eingerichtet ist, den Elektromagneten intermittierend einzuschalten, um eine reziproke Verschiebung des Pumpenkolbens zu bewirken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrohydraulischen Aktuator für den Einsatz unter Wasser gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine elektrisch angetriebene Pumpe für einen elektrohydraulischen Aktuator.
Gattungsgemäße elektrohydraulische Aktuatoren werden verwendet, um unter Wasser in Wassertiefen bis zu mehreren Tausend Metern, beispielsweise bei der Förderung von Erdöl oder Erdgas oder beim Transport von Erdöl oder Erdgas in einer Pipeline, Ventile oder andere Bauteile zu betätigen. Herkömmlich werden solche Aktuatoren für den Einsatz unter Wasser hydraulisch angesteuert. Dazu sind zum Beispiel auf Plattformen an der Wasseroberfläche hydraulische Leistungseinheiten (HPU: Hydraulic Power Unit) vorgesehen, die über Hydraulikschläuche, sogenannte Umbilicals, mit dem Unterwasseraktuator verbunden sind und über die Schläuche entsprechenden hydraulischen Druck und hydraulische Volumenströme zur Verfügung stellen, um den Aktuator anzusteuern. Unter Wasser, insbesondere am Meeresgrund, kann dann ein einfach- oder doppelwirkender Zylinder vorgesehen sein, der den Druck und/oder den Volumenstrom in eine Ventilstellung übersetzt.
Die genannten Hydraulikschläuche oder allgemein Hydraulikleitungen sind anfällig für eine Leckage und die erheblichen Längen sowie die damit verbundenen Druckverluste führen zu einer ungenauen Ansteuerung der entsprechenden Ventile, insbesondere wenn es sich um einen Aktuator für ein Proportionalventil handelt, wie ihn die vorliegende Erfindung insbesondere betrifft. Es wurden daher elektrische Antriebslösungen vorgeschlagen, die sich jedoch in der Praxis nicht durchgesetzt haben. Beispielsweise offenbart WO 2018/192747 A1 ein elektrohydraulisches System mit einem geschlossenen Hydraulikkreislauf, bei dem ein doppeltwirkender Zylinder mit einem Hydromotor, der als Motor und als Pumpe betreibbar ist, angetrieben wird, um ein Prozessventil zu öffnen und zu schließen. Der Hydromotor wird durch eine Elektromaschine angetrieben, die über ein Elektrokabel mit elektrischer Leistung versorgt wird.
WO 2019/072715 A1 offenbart ein ähnliches elektrohydraulisches System, bei welchem eine von einer Elektromaschine angetriebene Hydromaschine als Hydropumpe mit zwei Förderrichtungen betreibbar ist. Ferner wird auf WO 2018/192783 A1 verwiesen.
Ein Grund dafür, dass sich solche elektrohydraulische Aktuatoren nicht in der Praxis durchgesetzt haben, liegt darin, dass diese vergleichsweise viele zusammenarbeitende Komponenten, beispielsweise die Elektromaschine, den Hydromotor sowie zahlreiche Ventile aufweisen, welche die Gefahr von Funktionsfehlern erhöhen, was beim Anwendungsfall am Meeresgrund besonders problematisch ist. Viele Ausrüster in der Öl- und Gasförderindustrie verlangen daher eine Zertifizierung oder Qualifizierung aller verwendeten Komponenten, wobei der Aufwand hierfür für die Hersteller beträchtlich ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrohydraulischen Aktuator für den Einsatz unter Wasser sowie eine elektrisch angetriebene Pumpe für einen solchen elektrohydraulischen Aktuator anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeiden, zuverlässig arbeiten, das Fehlerrisiko minimieren und kostengünstig aufgebaut sind. Bevorzugt soll die Anzahl von zu qualifizierenden beziehungsweise zertifizierenden Komponenten gering sein und auf bereits entsprechend qualifizierte oder zertifizierte Komponenten zurückgegriffen werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen elektrohydraulischen Aktuator mit den Merkmalen von Anspruch 1 und eine elektrisch angetriebene Pumpe mit den Merkmalen von Anspruch 8 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen werden vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben.
Ein erfindungsgemäßer elektrohydraulischer Aktuator für den Einsatz unter Wasser weist eine elektrisch angetriebene Pumpe und wenigstens einen Hydraulikzylinder auf. Der Hydraulikzylinder umfasst wenigstens eine oder zwei Zylinderkammern, wenigstens einen verschiebbaren, die Zylinderkammer(n) begrenzenden Kolben, der an wenigstens einer wechselseitig ein- und ausfahrbaren Zylinderstange angeschlossen ist, wobei der Kolben zum Beispiel über Dichtungen gegenüber einem Zylindergehäuse abgedichtet sein kann, sodass das Volumen der Zylinderkammern durch Verschieben des Kolbens verändert wird. Grundsätzlich können auch Hydraulikzylinder mit mehr als zwei Zylinderkammern und/oder mehreren Kolben vorgesehen sein, bevorzugt sind jedoch maximal zwei Zylinderkammern und ein einziger Kolben vorgesehen.
Erfindungsgemäß ist ein Ventil in einer Hydraulikverbindung zwischen der Pumpe und dem Hydraulikzylinder vorgesehen, sodass die Pumpe Hydraulikfluid über die Hydraulikverbindung in wenigstens eine Zylinderkammer pumpen kann. Prinzipiell ist es auch möglich, zusätzlich oder alternativ mit der Pumpe Hydraulikfluid aus wenigstens einen Zylinderkammer abzusaugen.
Erfindungsgemäß ist die elektrisch angetriebene Pumpe äußerst einfach und mit einem integrierten elektrischen Antrieb ausgestaltet. So weist die Pumpe einen Zylinderraum auf, der durch einen verschiebbaren Pumpenkolben begrenzt wird und durch Verschieben des Pumpenkolbens in seinem Volumen veränderbar ist. Der Zylinderraum umfasst einen Saugeinlass und einen Druckauslass. Es kann sich um den einzigen mit dem Arbeitsmedium der Pumpe, insbesondere Hydrauliköl, beaufschlagten Zylinderraum der Pumpe handeln. Dieser muss im Querschnitt nicht unbedingt kreisförmig sein, sondern es kommen auch andere Querschnitte in Betracht.
Der elektrische Antrieb der Pumpe umfasst einen Elektromagneten, der den Pumpenkolben zu dessen Verschiebung zumindest mittelbar mit einer Magnetkraft entgegen der Kraft eines Federelementes beaufschlagt, sodass der Kolben bei Betätigen des Elektromagneten durch den Elektromagneten verschoben werden kann und bei Nichtbetätigung durch den Elektromagneten durch das Federelement in seine vorherige Ausgangslage verbracht wird. Dem Elektromagneten ist eine Steuervorrichtung zugeordnet, die eingerichtet ist, den Elektromagneten intermittierend einzuschalten, um dadurch eine reziproke Verschiebung des Pumpenkolbens zu bewirken, sodass die Pumpe nach Art einer Kolbenpumpe arbeitet.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung kann ein Elektromagnet verwendet werden, wie er herkömmlich bei Unterwasseranwendungen der gattungsgemäßen Art bereits für Wegeschieberventile verwendet wird. Damit kann eine erneute Zertifizierung oder Qualifizierung entfallen. Der Elektromagnet braucht nur in einer neuen hydraulisch-mechanischen Anordnung mit dem Pumpenkolben und dem Zylinderraum, der der einzige Zylinderraum der Pumpe sein kann, angeordnet zu werden, um die Pumpenfunktionalität zu erreichen.
Aus der Differenz der Magnetkraft und der Rückstellkraft des Federelementes sowie der Kolbenfläche ergibt sich der erzeugbare Pumpendruck. Über das Hubvolumen und die Frequenz der Hubbewegung lässt sich der Volumenstrom bestimmen.
Insbesondere kann die Pumpe beziehungsweise der Elektromagnet mit einem elektrischen Gleichspannungssignal angesteuert werden, beispielsweise mit 24 V und 4 bis 20 mA Stromstärke. Externe hydraulische Leitungen vom Meeresgrund zur Meeresoberfläche beziehungsweise allgemein zur Überbrückung des Abstands von der Wasseroberfläche zum elektrohydraulischen Aktuator können entfallen.
Die Magnetkraft kann beispielsweise zwischen 500 und 1000 N liegen, beispielsweise zwischen 650 und 750 N, und die Kraft des Federelementes kann 100 bis 300 N betragen. Aus der Differenz dieser beiden Kräfte ergibt sich die Antriebskraft. Der Durchmesser der Zylinderkammer kann beispielsweise zwischen 10 und 30 mm betragen, bevorzugt zwischen 20 und 30 mm. Der Hubweg kann zum Beispiel zwischen 3 und 13 mm betragen, insbesondere zwischen 5 und 10 mm. Die Frequenz kann beispielsweise zwischen 2 und 8 Hz betragen, insbesondere zwischen 4 und 6 Hz. Beispielsweise kann ein Volumenstrom von 0,5 bis 2 l/min mit der elektrischen Pumpe erzeugt werden, insbesondere von 0,8 bis 1,2 l/min.
Das Hubvolumen kann beispielsweise zwischen 3000 und 4000 mm³ betragen, insbesondere zwischen 3200 und 3600 mm³.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Ventil in der Hydraulikverbindung zwischen der Pumpe und dem Hydraulikzylinder wenigstens zwei Schaltstellungen, nämlich eine erste Schaltstellung, in welcher eine erste der beiden Zylinderkammern mit einer Druckseite der Pumpe verbunden ist und eine zweite der beiden Zylinderkammern mit einer Saugseite der Pumpe verbunden ist, und eine zweite Schaltstellung, in welcher die erste Zylinderkammer mit der Saugseite der Pumpe verbunden ist und die zweite Zylinderkammer mit der Druckseite der Pumpe verbunden ist. Bevorzugt weist das Ventil eine dritte Schaltstellung auf, in welcher die Verbindungen zwischen der Druckseite der Pumpe und den Zylinderkammern und zwischen der Saugseite der Pumpe und den Zylinderkammern abgesperrt sind.
Das Ventil kann beispielsweise als Wegeschieberventil ausgeführt sein, insbesondere als 4/3-Wegeschieberventil.
Selbstverständlich kommen andere Ventilarten in Betracht. Eine alternative vorzuziehende Bauart ist ein 3/3-Wegeschieberventil, das mit einem einfachwirkenden Zylinder, dessen Kolben beispielsweise federrückgestellt ausgeführt ist, zusammenarbeitet. Das Ventil weist somit eine erste Schaltstellung auf, in welcher eine Zylinderkammer mit einer Druckseite der Pumpe verbunden ist, und eine zweite Schaltstellung, in welcher die Zylinderkammer mit der Saugseite der Pumpe verbunden ist. Bevorzugt weist das Ventil eine dritte Schaltstellung auf, in welcher die Verbindungen zwischen der Druckseite der Pumpe und der Zylinderkammer und zwischen der Saugseite der Pumpe und der Zylinderkammer abgesperrt sind. Beispielsweise ist auf der der Zylinderkammer abgewandten Seite des Kolbens eine Druckfeder positioniert, die den Kolben entgegen der Druckkraft der Zylinderkammer druckbeaufschlagt.
Bevorzugt sind der Saugeinlass und der Druckeinlass der Pumpe jeweils mit einem Hydraulikspeicher verbunden. Dabei kann in dem einen Hydraulikspeicher vorzugsweise ein geringer Druck herrschen als in dem anderen Hydraulikspeicher, wobei in dem Hydraulikspeicher auf der Druckseite vorteilhaft ein größerer Druck als im Hydraulikspeicher auf der Saugseite der Pumpe herrscht. Es kann auch ein einziger Hydraulikspeicher auf der Druckseite oder der Saugseite der Pumpe vorgesehen sein. Ein Hydraulikspeicher oder mehrere Hydraulikspeicher können einen geringen mit der Pumpe erzeugbaren Volumenstrom ausgleichen, indem große Volumenstromanforderungen durch den oder die Hydraulikspeicher bedient werden und die Pumpe durch eine entsprechend längere Laufzeit den oder die Hydraulikspeicher dann wieder auffüllen kann.
Die Pumpe, das Ventil und insbesondere die Hydraulikspeicher können von einem gemeinsamen Gehäuse getragen und insbesondere von diesem teilweise oder vollständig umschlossen werden.
Bevorzugt ist am Saugeinlass und am Druckauslass jeweils ein Rückschlagventil vorgesehen. Die Öffnungsrichtung ist dabei derart, dass entsprechend über den Saugeinlass Hydraulikmedium in den Zylinderraum eingesaugt werden kann und über den Druckauslass aus dem Zylinderraum abgeführt werden kann.
Eine erfindungsgemäße elektrisch angetriebene Pumpe, die für einen elektrohydraulischen Antrieb der dargestellten Art verwendet werden kann, weist wenigstens einen Zylinderraum auf, der durch einen verschiebbaren Pumpenkolben begrenzt wird und durch Verschieben des Pumpenkolbens in seinem Volumen veränderbar ist, wobei der Zylinderraum einen Saugeinlass und einen Druckauslass aufweist, und ein elektrischer Antrieb der Pumpe in die Pumpe integriert ist und einen Elektromagneten umfasst, der den Pumpenkolben zu dessen Verschiebung zumindest mittelbar mit einer Magnetkraft entgegen der Kraft eines Federelementes beaufschlagt. Zum Zylinderraum gilt das zuvor Dargestellte.
Bevorzugt ist dem Elektromagneten eine Steuervorrichtung zugeordnet, die eingerichtet ist, den Elektromagneten intermittierend einzuschalten, um eine reziproke Verschiebung des Pumpenkolbens zu bewirken.
Besonders bevorzugt ist, wie dargelegt, am Saugeinlass und am Druckauslass jeweils ein Rückschlagventil vorgesehen.
Am Saugeinlass und Druckauslass kann jeweils ein Hydraulikspeicher vorgesehen sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen das Ventil in der Hydraulikleitung zwischen der Pumpe und dem Hydraulikzylinder und die elektrisch angetriebene Pumpe jeweils als Antrieb einen Elektromagneten, insbesondere Regelmagneten, auf, wobei die beiden Magneten zumindest im Wesentlichen identisch ausgeführt sind. Lediglich die Ansteuerung der Magneten kann, insbesondere mittels jeweils einer angeschlossenen elektronischen Steuervorrichtung, unterschiedlich erfolgen, beispielsweise indem jeweils vorgesehene elektronische Steuervorrichtungen unterschiedlich programmiert sind. Es kommt jedoch auch eine gemeinsame Steuervorrichtung in Betracht.
Der Elektromagnet der Pumpe und/oder des Ventils kann/können redundant ausgeführt sein, um beim Ausfall eines Magneten die Funktionsfähigkeit aufrecht zu erhalten.
Gemäß einem erfindungsgemäßen Gedanken, der auch unabhängig von der hier dargestellten Anwendung des elektrohydraulischen Aktuators für den Einsatz unter Wasser verwendet werden kann und der in allgemeiner Form nur auf eine elektrisch angetriebene Pumpe gerichtet ist, die auch für andere Zwecke als zur Verwendung mit einem elektrohydraulischen Aktuator verwendet werden kann, wobei die elektrisch angetriebene Pumpe wenigstens einen Zylinderraum aufweist, der durch einen verschiebbaren Pumpenkolben begrenzt wird und durch Verschieben des Pumpenkolbens in seinem Volumen veränderbar ist, und wobei der Zylinderraum wenigstens einen Saugeinlass und wenigstens einen Druckauslass aufweist und ein elektrischer Antrieb der Pumpe in die Pumpe integriert ist und einen Elektromagneten, insbesondere Regelmagneten, aufweist, der den Pumpenkolben zu dessen Verschiebung zumindest mittelbar mit einer Magnetkraft entgegen der Kraft eines Federelementes beaufschlagt, ist dem Elektromagneten eine Magnetkrafterfassungseinrichtung, beispielsweise umfassend einen Hall-Sensor, zugeordnet, welche die aktuell wirkende Magnetkraft des Elektromagneten erfasst, wobei ferner eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, die aus der Magnetkraft den aktuellen Pumpendruck, das heißt den Druck in dem wenigstens einen Zylinderraum bestimmt. Ein entsprechendes Verfahren zum Antreiben einer solchen elektrisch angetriebenen Pumpe kann demnach aus der erfassten Magnetkraft den aktuellen Pumpendruck ermitteln. Insbesondere wird aus einer gemessenen Hall-Spannung die Magnetkraft bestimmt und hieraus der während der Kolbenbewegung erzeugte Druck berechnet. Anders als bei linearen Messsystemen, bei denen Hall-Sensoren das Magnetfeld eines unterschiedlich weit entfernten Permanentmagneten erfassen, kann die Magnetkrafterfassungseinrichtung eine variierende Magnetkraft in Abhängigkeit der aktuellen Kolbenbelastung und Kolbenposition erfassen. Der Einfluss der Kolbenposition kann sich dabei herausrechnen lassen und somit eine bevorzugt direkt proportionale Messgröße des erzeugten Druckes ermittelt werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren exemplarisch beschrieben werden.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrisch angetriebenen Pumpe;
2a ein Schaltschema eines Ausführungsbeispiels eines elektrohydraulischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung;
2b ein Schaltschema eines alternativen Ausführungsbeispiels eines elektrohydraulischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 eine vorteilhafte Integration verschiedener Bauteile in einem gemeinsamen Gehäuse.

In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrisch angetriebenen Pumpe 1 dargestellt, die einen Zylinderraum 10 aufweist, der durch einen verschiebbaren Pumpenkolben 11 begrenzt wird. Durch Verschieben des Pumpenkolbens 11 wird der Zylinderraum 10 in seinem Volumen verändert. Der Zylinderraum 10 weist einen Saugeinlass 12 und einen Druckauslass 13 auf, wobei im Saugeinlass 12 und im Druckauslass 13 jeweils ein Rückschlagventil 20, 21 angeordnet ist.
Zum wechselseitigen Verschieben des Pumpenkolbens 11 ist ein Elektromagnet 14 vorgesehen. Beim Einschalten des Elektromagneten 14 übt dieser eine Magnetkraft auf ein Zugelement 22 aus, das zugfest oder starr am Pumpenkolben 11 angeschlossen ist. Alternativ könnte statt eines Zugelementes 22 auch ein Druckelement vorgesehen sein, das druckfest oder starr am Pumpenkolben 11 angeschlossen ist und durch den Elektromagneten 14 mit einer Druckkraft beaufschlagt wird.
Das Zugelement 22 ist beispielsweise ein Anker und der Elektromagnet 14 umfasst eine Spule mit oder ohne Kern, die bei Anlegen einer elektrischen Spannung entsprechend den Anker verschiebt.
Entgegen der Kraft des Elektromagneten 14 wirkt die Kraft eines Federelementes 15, das als Rückstellfeder vorgesehen ist. Somit kann der Elektromagnet 14 intermittierend durch eine angeschlossene Steuervorrichtung 16 betätigt werden, um die elektrisch angetriebene Pumpe 1 nach Art einer Hubkolbenpumpe zu betreiben.
In der 1 ist zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Aspekts, der auch unabhängig von den übrigen hier dargestellten Merkmalen ausgeführt werden kann, eine Steuervorrichtung 25 schematisch dargestellt, die mit einer Magnetkrafterfassungseinrichtung 26 zusammenarbeitet, um den aktuellen Pumpendruck, das heißt den im Zylinderraum 10 mit der Pumpe 1 erzeugten Druck zu ermitteln, ohne dass hierfür ein zusätzlicher Drucksensor herangezogen werden muss. Die Steuervorrichtung 25 könnte auch mit der Steuervorrichtung 16 integriert werden beziehungsweise es könnte eine gemeinsame Steuervorrichtung für beide Funktionen vorgesehen sein. Die Magnetkrafterfassungseinrichtung 26 umfasst zum Beispiel einen Hall-Sensor und erfasst die variierende Magnetkraft, insbesondere in Abhängigkeit der aktuellen Axialbelastung des Pumpenkolbens 11 und der Axialposition des Pumpenkolbens 11. Die Axialbelastung ergibt sich aus der Kraft des Federelementes 15 und dem Druck im Zylinderraum 10. Wenn die Kraft des Federelementes 15, beispielsweise in Abhängigkeit der Position des Pumpenkolbens 11 bestimmt wird oder vorgegeben ist, so kann aus der erfassten Magnetkraft der Pumpendruck ermittelt werden.
In der 2a ist die elektrisch angetriebene Pumpe 1 in einem Schaltschema eines elektrohydraulischen Aktuators für den Einsatz unter Wasser dargestellt. Am Saugeinlass 12 der Pumpe 1, das heißt auf deren Saugseite 9, ist ein erster Hydraulikspeicher 17 angeschlossen, am Druckauslass 13, das heißt auf der Druckseite 8 der Pumpe 1, ist ein zweiter Hydraulikspeicher 18 angeschlossen.
Ferner ist ein Hydraulikzylinder 2 vorgesehen, umfassend zwei Zylinderkammern 3, 4, einen verschiebbaren, die Zylinderkammern 3, 4 begrenzenden Kolben 5 und eine aus dem Hydraulikzylinder 2 beziehungsweise dessen Zylindergehäuse wechselseitig ein- und ausfahrbare Zylinderstange 6. Durch Druckbeaufschlagung der beiden Zylinderkammern 3, 4 wird in Abhängigkeit des Druckverhältnisses über dem Kolben 5 die Zylinderstange 6 mehr oder minder aus- oder eingefahren.
Die Druckseite 8 der Pumpe 1 und die Saugseite 9 der Pumpe 1 sind mit einem Ventil 7, das als 4/3-Wegeschieberventil ausgeführt ist, wechselseitig mit den beiden Zylinderkammern 3, 4 verbindbar. In einer ersten Schaltstellung des Ventils 7 ist die Druckseite 8 mit der ersten Zylinderkammer 3 verbunden und die Saugseite 9 ist mit der zweiten Zylinderkammer 4 verbunden. In einer zweiten Schaltstellung sind diese Verbindungen umgedreht. In einer dritten Schaltstellung sind die Verbindungen unterbrochen.
Das Ventil 7 weist ebenfalls einen Elektromagneten 23 auf, um dieses zu betätigen. Auch hier kann der Elektromagnet 23 entgegen der Kraft eines entsprechenden Federelementes 24 arbeiten, das als Rückstellelement vorgesehen ist.
Die Zylinderstange 6 kann nun an einem Unterwasserventil oder dergleichen angeschlossen werden, um dieses als Aktuator zu betätigen.
In der 2b ist eine alternative Ausgestaltung ähnlich zu jener der 2a gezeigt. Die sich entsprechenden Bauteile sind mit sich entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Abweichend von der Ausführungsform gemäß der 2a ist ein einfachwirkender Hydraulikzylinder 2 vorgesehen, der nur eine Zylinderkammer 3 aufweist, die über ein Ventil 7, das als 3/3-Wegeschieberventil ausgeführt ist, wechselseitig mit der Druckseite 8 und der Saugseite 9 der Pumpe 1 verbunden werden kann. Durch Ablassen oder Absaugen des Druckes aus der Zylinderkammer 3 wird die Zylinderstange 6 ausgefahren und durch Aufbau eines entsprechenden Druckes in der Zylinderkammer 3 wird die Zylinderstange 6 eingefahren. Auf der von der Zylinderkammer 3 abgewandten Seite des Kolbens 5 ist ein Federelement 27, hier in Form einer Druckfeder, vorgesehen, das entgegen dem Druck in der Zylinderkammer 3 wirkt und somit den Kolben 5 im Sinne eines Ausfahrens mit einer Druckkraft beaufschlagt.
Im Übrigen wird bezüglich der weiteren Funktionen auf die Beschreibung der 2a verwiesen.
In der 3 ist ein Gehäuse 19 dargestellt, in dem die beiden Elektromagneten 14, 23 und alle hydraulischen Verbindungen integriert sind. Auch die Hydraulikspeicher 17, 18 können innerhalb des Gehäuses 19 vorgesehen sein oder von diesem getragen werden. Bevorzugt sind die gesamte Pumpe 1 und das Ventil 7 teilweise oder vollständig in das Gehäuse 19 integriert.
Somit muss am Gehäuse 19 nur noch wenigstens eine, insbesondere elektrische, Signalleitung angeschlossen werden, um die Elektromagneten 14, 23 zu betätigen, um dadurch die volle Funktionalität des elektrohydraulischen Aktuators zu bewirken.
Die Elektromagneten 14, 23 können zum Beispiel baugleich ausgeführt sein und müssen nur entsprechend ihrer Funktion verschieden zueinander angesteuert werden.
Die Elektromagneten 14, 23 können auch redundant ausgeführt sein, um einen Weiterbetrieb des Aktuators zu ermöglichen, falls einer der Elektromagneten 14, 23 ausfällt.
Wie dargelegt, kann eine Steuervorrichtung 16 oder 26 des Elektromagneten 14 der Pumpe 1 entweder über eine Signalleitung den von einem Drucksensor übermittelten hydraulischen Druck verwerten, um den Antrieb der Pumpe 1 zu steuern, beispielsweise um einen vorgegebenen Druck im Hydraulikspeicher 18 aufrechtzuerhalten. Als besondere Ausführungsform kann der hydraulische Druck im Hydraulikspeicher 18 auch indirekt und ohne einen zusätzlichen Drucksensor erfasst werden, wenn entsprechend eine Magnetkrafterfassungseinrichtung 26, beispielsweise mit einem Hall-Sensor, vorgesehen ist. Zur Betätigung beziehungsweise Einstellung eines Proportionalventils mit dem elektrohydraulischen Aktuator kann ein geschlossener Regelkreis vorgesehen sein, zum Beispiel durch eine Positionsmessung des Ventilstellers (beispielsweise der Zylinderstange 6) oder diese ist durch Messung des gewünschten Ventildrucks am Ventil möglich. Ein einfaches Auf-Zu-Ventil kann direkt angesteuert werden.
Bezugszeichenliste

1: Pumpe
2: Hydraulikzylinder
3: Zylinderkammer
4: Zylinderkammer
5: Kolben
6: Zylinderstange
7: Ventil
8: Druckseite
9: Saugseite
10: Zylinderraum
11: Pumpenkolben
12: Saugeinlass
13: Druckauslass
14: Elektromagnet
15: Federelement
16: Steuervorrichtung
17: Hydraulikspeicher
18: Hydraulikspeicher
19: Gehäuse
20: Rückschlagventil
21: Rückschlagventil
22: Zugelement
23: Elektromagnet
24: Federelement
25: Steuervorrichtung
26: Magnetkrafterfassungseinrichtung
27: Federelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2018/192747 A1 [0003]
WO 2019/072715 A1 [0004]
WO 2018/192783 A1 [0004]

Claims

Elektrohydraulischer Aktuator für den Einsatz unter Wasser mit einer elektrisch angetriebenen Pumpe (1), mit wenigstens einem Hydraulikzylinder (2), umfassend wenigstens eine oder zwei Zylinderkammern (3, 4), einen verschiebbaren, die Zylinderkammer(n) (3, 4) begrenzenden Kolben (5), der an wenigstens einer wechselseitig ein- und ausfahrbaren Zylinderstange (6) angeschlossen ist; mit einem Ventil (7) in einer Hydraulikverbindung zwischen der Pumpe (1) und dem Hydraulikzylinder (2); dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch angetriebene Pumpe (1) einen Zylinderraum (10) aufweist, der durch einen verschiebbaren Pumpenkolben (11) begrenzt wird und durch Verschieben des Pumpenkolbens (11) in seinem Volumen veränderbar ist, wobei der Zylinderraum (10) einen Saugeinlass (12) und einen Druckauslass (13) aufweist, und ein elektrischer Antrieb der Pumpe (1) in die Pumpe (1) integriert ist und einen Elektromagneten (14) aufweist, der den Pumpenkolben (11) zu dessen Verschiebung zumindest mittelbar mit einer Magnetkraft entgegen der Kraft eines Federelementes (15) beaufsch lagt, wobei dem Elektromagneten (14) eine Steuervorrichtung (16) zugeordnet ist, die eingerichtet ist, den Elektromagneten (14) intermittierend einzuschalten, um eine reziproke Verschiebung des Pumpenkolbens (11) zu bewirken.
Elektrohydraulischer Aktuator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (7) wenigstens zwei Schaltstellungen aufweist, umfassend eine erste Schaltstellung, in welcher eine erste der beiden Zylinderkammern (3, 4) mit der Druckseite (8) der Pumpe (1) verbunden ist und eine zweite der beiden Zylinderkammern (3, 4) mit einer Saugseite (9) der Pumpe (1) verbunden ist, und eine zweite Schaltstellung, in welcher die erste Zylinderkammer (3) mit der Saugseite (9) der Pumpe (1) und die zweite Zylinderkammer (4) mit der Druckseite (8) der Pumpe (1) verbunden ist.
Elektrohydraulischer Aktuator gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (7) eine dritte Schaltstellung aufweist, in welcher die Verbindungen zwischen der Druckseite (8) der Pumpe (1) und den Zylinderkammern (3, 4) und zwischen der Saugseite (9) der Pumpe (1) und den Zylinderkammern (3, 4) abgesperrt ist.
Elektrohydraulischer Aktuator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (7) als Wegeschieberventil, insbesondere als 4/3-Wegeschieberventil, ausgeführt ist.
Elektrohydraulischer Aktuator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Saugeinlass (12) und der Druckauslass (13) der Pumpe (1) jeweils mit einem Hydraulikspeicher (17, 18) verbunden sind.
Elektrohydraulischer Aktuator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (1), das Ventil (7) und insbesondere die Hydraulikspeicher (17, 18) von einem gemeinsamen Gehäuse (19) getragen und insbesondere umschlossen werden, wobei insbesondere alle hydraulischen Verbindungen innerhalb des Gehäuses (19) angeordnet sind.
Elektrohydraulischer Aktuator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Saugeinlass (12) und am Druckauslass (13) jeweils ein Rückschlagventil (20, 21) vorgesehen ist.
Elektrisch angetriebene Pumpe (1) für einen elektrohydraulischen Aktuator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Zylinderraum (10), der durch einen verschiebbaren Pumpenkolben (11) begrenzt wird und durch Verschieben des Pumpenkolbens (11) in seinem Volumen veränderbar ist, wobei der Zylinderraum (10) einen Saugeinlass (12) und einen Druckauslass (13) aufweist, und ein elektrischer Antrieb der Pumpe (1) in die Pumpe (1) integriert ist und einen Elektromagneten (14) aufweist, der den Pumpenkolben (11) zu dessen Verschiebung zumindest mittelbar mit einer Magnetkraft entgegen der Kraft eines Federelementes (15) beaufschlagt.
Elektrisch angetriebene Pumpe (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Elektromagneten (14) eine Steuervorrichtung (16) zugeordnet ist, die eingerichtet ist, den Elektromagneten (14) intermittierend einzuschalten, um eine reziproke Verschiebung des Pumpenkolbens (11) zu bewirken.
Elektrisch angetriebene Pumpe (1) gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Saugeinlass (12) und der Druckauslass (13) der Pumpe (1) jeweils mit einem Hydraulikspeicher (17, 18) verbunden sind.
Elektrisch angetriebene Pumpe (1) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass am Saugeinlass (12) und am Druckauslass (13) jeweils ein Rückschlagventil (20, 21) vorgesehen ist.
Elektrisch angetriebene Pumpe (1) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Elektromagneten (14) eine Steuervorrichtung (25) und eine Magnetkrafterfassungseinrichtung (26) zugeordnet ist, die eingerichtet sind, eine aktuelle Magnetkraft des Elektromagneten (14) zu erfassen und hieraus einen aktuellen im Zylinderraum (10) herrschenden Druck zu bestimmen.
Elektrisch angetriebene Pumpe (1) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetkrafterfassungseinrichtung (26) einen Hall-Sensor umfasst, der die aktuelle Magnetkraft erfasst.