WO2016139104A1

WO2016139104A1 - Elektrohydraulischer kompaktantrieb für drehbewegungen

Info

Publication number: WO2016139104A1
Application number: PCT/EP2016/053903
Authority: WO
Inventors: Johannes Schunder; Alexandre ORTH; Tor Eivind Jensen; Royce Gerngross
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2016-09-09
Also published as: US20180050776A1; NO20171549A1; US10435126B2; DE102015203748A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrohydraulischer Kompaktantrieb für den Einsatz unter Wasser und für den Antrieb eines Abtriebselements, zum Beispiel eines Propellers (40) oder eines Rads oder einer Seilwinde. Die Kompakteinheit umfasst dazu als Komponenten einen Hydromotor (31), der eine Abtriebswelle (37) aufweist, eine Hydropumpe (30), von der der Hydromotor über eine Arbeitsleitung (32) mit einem Hydraulikfluid versorgbar ist, und einen Elektromotor (50), von dem die Hydropumpe antreibbar ist. Aufgabe der Erfindung ist es, einen solchen elektrohydraulischen Antrieb so auszubilden, dass er für den Gebrauch unter Wasser besonders geeignet ist. Diese Aufgabe wird durch einen elektrohydraulischen Kompaktantrieb gelöst, bei dem sich die Komponenten in einem geschlossenen, mit Hydraulikfluid gefüllten Behälter (12) befinden und der Behälter eine Öffnung zur Koppelung der Abtriebswelle des Hydromotors mit dem Abtriebselement aufweist. Nach der Erfindung bildet der elektrohydraulische Kompaktantrieb also eine abgeschlossene Einheit, die die komplette Elektromotor- Hydropumpe-Hydromotor-Anordnung enthält. Der Kompaktantrieb vereinigt die Vorteile der hohen Leistungsdichte der Hydraulik mit einem dezentralen elektrischen Direktantrieb. Es werden eine hohe Zuverlässigkeit, Sicherheit und Energieeffizienz erreicht. Das Handling des Antriebs ist erleichtert und somit auch die Steuerung von Unterwasser-Fahrzeugen und Maschinen.

Description

Elektrohydraulischer Kompaktantrieb für Drehbewegungen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen elektrohydraulischer Kompaktantrieb, der insbesondere aber nicht nur für den Einsatz unter Wasser und für den

rotatorischen Antrieb eines Abt ebs-elements, zum Beispiel eines Propellers oder eines Rads oder einer Seilwinde. Die Kompakteinheit umfasst dazu als Komponenten einen Hydromotor, der eine Abtriebswelle aufweist, eine Hydropumpe, von der der Hydromotor über eine Arbeitsleitung mit einem Hyd- raulikfluid versorgbar ist, und einen Elektromotor, von dem die Hydropumpe antreibbar ist.

Für viele Tätigkeiten unter Wasser im Zusammenhang mit der Gewinnung fossiler Energie wie Öl und Gas, mit dem Abbau von Bodenschätzen, mit Naturwissenschaften, mit Robotik mit Hilfe von Remote Operated Vehicles (ROV) oder Automated Underwater Vehicles (AUV), mit Infrastrukturmaßnahmen oder mit erneuerbaren Energien werden spezielle Maschinen und Ausrüstungen mit Unterwassersystemen benötigt, die in der schwierigen Umgebung antreiben und steuern können. Viele Unterwassergeräte benötigen die Ausrüstung mit einem kontrollierbaren Antriebssystem oder mehreren kontrollierbaren Antriebssystemen, die auch Thruster genannt werden. Meist haben diese Thruster als

Abtriebselement einen Propeller. Insbesondere Unterwasserroboter wie ROV's oder AUV's benötigen einen Thruster oder mehrere Thruster, zum Beispiel acht Thruster, um die notwendige Beweglichkeit des Roboters in allen sechs Freiheitsgraden möglich zu machen.

Abtriebselement muss nicht unbedingt ein Propeller sein. Vielmehr kann Abtriebselement auch ein Rad sein, das auf dem Meeresgrund aufsteht oder mit dem eine Kette angetrieben wird, wie dies zum Beispiel bei einem Unterwasser-Bergbaufahrzeug der Fall ist. Darüber-hinaus kann der Kompaktantrieb auch eine Seilwinde antreiben, die zur Positionierung von Schiffen oder Unterwassergeräten dient. Als Beispiele seien Mooring, Anker legen, Kom- pensieren des Seegangs oder Spannen einer Kette unter Wasser angeführt.

Speziell für den Betrieb unter Wasser vorgesehene Geräte müssen sicher und zuverlässig funktionieren. Die gängige Lösung ist es, zum Antrieb von Abtriebselementen Hydromotoren zu verwenden, die über elektrisch ange- steuerte Unterwasserventile mit einer gemeinsamen Hydropumpe mit Hyd- raulikfluid versorgt werden können. Ein derartiges Gerät ist aus der GB 2 181 040 A bekannt. Falls die Pumpe ausfällt, kann sich der Unterwasserroboter oder das Unterwassergerät nicht mehr bewegen und muss für eine Reparatur unmittelbar nach oben geholt werden.

Um die Bewegungen und Strömungen des Wassers ausgleichen zu können, benötigt ein Unterwasserantrieb darüber hinaus ein dynamisches Steuerungssystem. Zugleich soll der Antrieb zu jeder Zeit mit minimalem Energieverbrauch arbeiten. Diese zwei Forderungen nach hoher Dynamik und nach Energieeffizienz sind mit den oben skizzierten Systemen nur schwierig zu realisieren. Des Weiteren steigen die Anforderungen an die funktionale Sicherheit, um auch unter komplexen Anwendungsbedingungen sicher arbeiten zu können. Beispielhaft für eine funktionale Sicherheit sei hier eine sicher reduzierte Geschwindigkeit bei Annäherung eines Gegenstandes genannt. Ein elektrohydraulischer Antrieb, der für den Einsatz unter Wasser vorgesehen ist und bei dem eine von einem Elektromotor angetriebene Hydropumpe und ein Hydromotor in einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf zusammengeschaltet sind, ist aus der DE 29 24 364 A1 bekannt. Von dem Hydromotor wird ein Propeller angetrieben, der das Abtriebselement darstellt. An einem Schürfgerät sind insgesamt drei elektrohydraulische Antriebe der genannten Art angeordnet, die dazu dienen, unter Wasser das Gerät zu bewegen oder Teile des Geräts gegenüber einem Gerätegestell zu bewegen. Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrohydraulischen Antrieb, der für den Einsatz unter Wasser vorgesehen ist und der als Komponenten einen Hydromotor, der eine Abtriebswelle aufweist, eine Hydropumpe, von der der Hydromotor über eine Arbeitsleitung mit einem Hydraulikfluid versorgbar ist, und einen Elektromotor, von dem die Hydropumpe antreibbar ist, umfasst, so auszubilden, dass er für den Gebrauch unter Wasser besonders geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch einen elektrohydraulischen Kompaktantrieb gelöst, bei dem sich die Komponenten in einem geschlossenen, mit Hydraulikfluid gefüllten Behälter befinden und der Behälter eine Öffnung zur Koppelung der Abtriebswelle des Hydromotors mit dem Abtriebselement aufweist. Nach der Erfindung bildet der elektrohydraulische Kompaktantrieb also eine abgeschlossene Einheit, die die komplette Elektromotor- Hydropumpe- Hydromotor-Anordnung enthält. Der Kompaktantrieb vereinigt die Vorteile der hohen Leistungsdichte der Hydraulik mit einem dezentralen elektrischen Di- rektantrieb. Es werden eine hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit erreicht. Das Handling des Antriebs ist erleichtert. Der Elektromotor, der an das durch die Hydropumpe und den Hydromotor gebildete hydrostatische Getriebe angekoppelt ist, kann ein kleiner, leichter und kompakter Elektromotor sein, der bei hohen Drehzahlen läuft. Vorteilhafterweise ist der Elektromotor drehzahl- variabel ansteuerbar. Um eine besonders hohe Dynamik des Antriebs zu erhalten, ist die Hydro- pumpe vorteilhafterweise in ihrem Hubvolumen verstellbar. Bevorzugt ist auch der Hydromotor in seinem Hubvolumen verstellbar, da damit die Dyna- mik und die Energieeffizienz des elektrohydraulischen Antriebs weiter erhöht werden.

Es ist zweckmäßig, wenn eine elektrische Steuerung zur Stromversorgung des Elektromotors in dem Behälter angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist die elektrische Steuerung mit Rechenleistung ausgestattet und mit Algorithmen zum Betrieb der Komponenten programmiert oder dafür geeignet, um mit Algorithmen zum Betrieb der Komponenten programmiert zu werden.

Es ist vorteilhaft, wenn der Hydromotor auch als Hydropumpe, die Hydro- pumpe auch als Hydromotor und der Elektromotor angetrieben durch die als Hydromotor arbeitende Hydropumpe auch als Generator betreibbar sind. Dann kann angetrieben durch einen Propeller oder ein Rad elektrische Energie zurückgewonnen und für einen späteren Verbrauch in einer Batterie gespeichert werden. Dazu sind Algorithmen zur Rückgewinnung und Speiche- rung von Energie in die elektrische Steuerung integriert.

Der Kompaktantrieb kann einen elektronischen Steuermodul mit eingebauter Funktionalität für eine dynamische Positionssteuerung eines Fahrzeugs, das mit dem Antrieb ausgestattet ist, enthalten. Der Steuermodul kann ein integ- raier Modul des elektronischen Fahrzeugsteuersystems sein.

Bevorzugt sind Sensoren, insbesondere Sensoren wie Sensoren für den Druck im hydraulischen Kreislauf, für die Drehzahl, für die Position, für die Geschwindigkeit, für die Beschleunigung, für die Temperatur und für den Zu- stand, zum Beispiel für den Verschmutzungsgrad des Hydraulikfluids und für die Wassertiefe, insbesondere microelektromechanische Sensoren (MEMS) in den elektrohydraulischen Kompaktantrieb integriert sind. Durch Überwachung der Temperatur kann vermieden werden, dass der Antrieb ausfällt, wenn er in einer Umgebung mit extremen Temperaturen, wie sie über der Oberfläche des Wassers herrschen können, betrieben wird. Mit Sensoren kann das Hubvolumen der Hydroeinheiten erfasst werden. Ebenso kann mit Sensoren die Drehzahl der Komponenten für eine besonders gute Steuerbarkeit erfasst werden. Es kann ein Algorithmus implementiert sein, mit dem das Abtriebsmoment des Hydromotors begrenzt wird, um eine Beschädigung des Abtriebselements, insbesondere eines Propellers zu vermeiden. Ebenso kann ein Algorithmus implementiert sein, mit dem der Druck im hydraulischen Kreislauf erhöht wird, um den Propeller von einem Objekt, das sich in ihm verfangen hat, zu befreien. Es können Regelfunktionen zur automatischen Kompensation von externen Störungen wie zum Beispiel Wasserströmungen oder Gegenkräften bei Betätigung eines Aktuators integriert sein. Zum Beispiel werden mit Sensoren die Beschleunigungen an den Antrieben gemessen. Die Propeller werden dann so angetrieben, dass die Kräfte entlang der Ausrichtungsachse des Propel- lers soweit wie möglich reduziert werden, indem Gegenkräfte gleicher Stärke erzeugt werden. Ebenso können Algorithmen zur Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) integriert sein, wie zum Beispiel eine Betriebsstundenzählung, eine Überwachung von Drehmoment und Vibration. Es können Algorithmen für das Maximieren der Dynamik und der Effizienz integriert sein.

Ein erfindungsgemäßer elektrohydraulischer Kompaktantrieb weist vorteilhafterweise mindestens eine Kommunikationsschnittstelle zum Austausch von Daten mit oder ohne Kabel auf. In die elektronische Steuerung können Sicherheitsfunktionen als geschlossene Regelkreise integriert sein.

Insbesondere sind folgende Sicherheitsfunktionen denkbar: a) Sicher abgeschaltetes Moment (STO: Safe Torque Off):

Wenn die elektrische Steuerung einen Not-Aus-Befehl über die Kommunikationsschnittstelle bekommt, werden der Elektromotor und somit auch die Hydropumpe und der Hydromotor (energielos) abgeschaltet. Der Propeller wird nach einer unkontrollierten Zeit und einem unkontrollierten Weg stoppen.

b) Sicherer Stopp 1 und 2 (SS1 und SS2: Safe Stop 1 & 2):

Wenn die elektrische Steuerung einen bestimmten Befehl (z.B. „SS1 " oder„SS2" Nachrichten) über die Kommunikationsschnittstelle bekommt, werden der Elektromotor und somit auch die Hydropumpe und der Hydromotor so angesteuert, dass die Propeller nach einer kontrollierten maximalen Zeit und einem kontrollierten maximalen Weg gestoppt wird.

c) Sichere maximale/begrenzte Geschwindigkeit (SMS: Safe Max.

Speed; SLS: Safe Limited Speed):

Die elektrische Steuerung regelt die Drehzahl des Propellers mit entsprechenden Sensoren (wie z.B. Drehgeber) so, dass die Drehzahl den durch die Kommunikationsschnittstelle vorgegeben maximalen Wert nicht übersteigt. Falls dieser Wert überschritten wird, wird der Elektromotor abgeschaltet. Neben der maximalen Drehzahl, kann die Steuerung eine vorübergehende reduzierte Geschwindigkeit regeln, um zum Beispiel bestimmte empfindliche Bewegung zu ermöglichen. Diese Funktion ermöglicht zum Beispiel nahes Heranfahren an ein Objekt. Sichere Drehrichtung (SDI: Safe Direction):

Wenn die elektrische Steuerung einen Befehl über die Kommunika- tionsschnittstelle bekommt, in einer bestimmten Drehrichtung sicher zu fahren, dann wird mittels eines Sensors diese Drehbewegung des Propellers überwacht. Falls die falsche Drehrichtung angezeigt wird, wird der Elektromotor abgeschaltet, um zum Beispiel aus einem gefahrbringenden Bereich herauszufahren.

Sicher maximales Moment (SMT: Safe Max. Torque):

Das Drehmoment des Propellers wird durch einen entsprechenden Sensor oder entsprechende Sensoren (zum Beispiel einen Drucksensor und einen Hubvolumensensor) geregelt. Falls das Drehmoment den maximalen vorgegebenen Wert übersteigt, wird der Elektromotor abgeschaltet.

Sicheres Haltsystem in Ausrichtung der Propellerachse:

Die an dem Antrieb wirkenden externen Kräften werden mit einem Beschleunigungsensor gemessen und der Elektromotor wird so angesteuert, dass eine Gegenkraft erzeugt wird, um dadurch die Position zu halten. Falls die Beschleunigung trotzdem den vorgegebenen Wert übersteigt, wird eine weitere Sicherheitsfunktion aktiviert, zum Beispiel„sichere Drehrichtung" oder„sicher abgeschaltetes Moment". Durch Anordnung mehrerer verschieden ausgerichteten Kompaktantriebe an einem Unterwasser-Roboter (z.B. AUV oder ROV), kann durch die Kombination dieser Funktion die Position des Roboters in mehreren Richtungen gesteuert und gehalten werden. Sichere Kommunikation (SCO: Safe Communication):

Die Übertragung von sicherheitsrelevanten Daten, wie Befehlen oder Parametern über die Kommunikationsschnittelle wird mit entsprechenden Fehlererkennungsmethoden überwacht. Falls einen Fehler erkannt wird, wird die elektrische Steuerung eine Sicher- heitsfunktion initiieren, zum Beispiel„sicher abgeschaltetes Moment".

Der elektrohydraulischer Kompaktantrieb kann zumindest eine Schnittstelle aufweisen, über die Hydraulikfluid unter Wasser nachgefüllt oder ausgetauscht werden kann.

Vorteilhafterweiser sind elektrische und mechanische Schnittstellen eines erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Kompaktantriebs unter Wasser abkoppelbar sind. Das macht es möglich, einen Kompaktantrieb mit Hilfe eines Tauchers oder eines Roboters (Remotely Operated Vehicle oder

Autonomous Underwater Vehicle) auszutauschen.

Zweckmäßigerweise weist der elektrohydraulische Kompaktantrieb einen Filter oder mehrere hydraulische Filter mit oder ohne Status-Sensoren auf, um zum Beispiel eine zu starke Kontamination des Hydraulikfluids mit Wasser oder Partikel zu verhindern. Durch die Status-Sensoren kann angezeigt werden, ob ein Austausch des hydraulikfluids notwendig ist. Für den Gebrauch in größeren Tiefen weist der Behälter eines elektrohydraulischen Kompaktantriebs einen beweglichen Kompensationskolben auf, der mit einer ersten Fläche den Innenraum des Behälters begrenzt und an einer zweiten Fläche, die genauso groß wie die erste Fläche und dieser entgegen gerichtet ist, vom Umgebungsdruck beaufschlagt ist. Wird auf den Kompen- sationskolben zum Beispiel durch eine Feder noch eine Zusatzkraft in Richtung zum Innenraum des Behälters zu ausgeübt, so ist der Druck im Behälter immer etwas höher als außerhalb, so dass kein Wasser eindringen kann. Durch Überwachung der Position des Kompensationskolbens kann man eine Leckage von Hydraulikfluid nach außen feststellen. An einem zu bewegenden Gerät kann ein Satz von mindestens zwei erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Kompaktantrieben angeordnet sein, wobei die Bewegung des Geräts durch aufeinander abgestimmtes Betreiben der elektrohydraulischen Kompakteinheiten mit oder ohne eine übergeordne- te Steuerung realisiert wird.

Ist ein Fahrzeug mit mehreren erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Kompaktantrieben, also einem Satz von erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Kompaktantrieben ausgestattet, so ist es möglich, durch einen intelli- genten Algorithmus oder Regelkreis den Ausfall einer Kompakteinheit durch das Betreiben der anderen Kompakteinheiten so weit wie möglich zu kompensieren.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Kompaktantriebs, ein Satz von acht erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Kompaktantrieben und verschiedene Abtriebsmöglichkeiten sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 das Ausführungsbeispiel als Antrieb eines Propellers,

Figur 2 einen Satz von acht erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Kompaktantrieben,

Figur 3a-3d verschiedenen Abtriebsmöglichkeiten und

Figur 4 das Ausführungsbeispiel als Antrieb einer Seilwinde.

Von dem elektrohydraulischen Kompaktantrieb 10 gemäß Figur 1 führt nur ein elektrisches Kabel 1 1 an die Meeresoberfläche oder eine andere unter Wasser befindliche übergeordnete elektrische Steuerung, führt. Der elektro- hydraulische Kompaktantrieb weist einen Behälter 12 mit einem zur Umge- bung abgeschlossenen Innenraum 1 auf, der mit einem Hydraulikfluid als Arbeitsmittel gefüllt ist.

Der Behälter ist gegenüber dem unter Wasser herrschenden Umgebungs- druck durch eine Kompensationseinrichtung 25 druckkompensiert. Dazu ist auf einen eine Öffnung 14 in der Behälterwand umgebenden Flachrand 15 mit einem Flansch 16 ein Deckel 17 befestigt und zwischen dem Flachrand 15 und dem Deckel 17 eine Membran 18 dicht eingeklemmt. Im Deckel 17 befinden sich Löcher 19, so dass der Raum zwischen Membran und Deckel Teil der Umgebung ist und mit Seewasser gefüllt ist. Durch die Membran 18 ist also der Innenraum 13 gegen die Umgebung abgeschottet. Die Membran wird an ihrer dem Innenraum zugekehrten, ersten Fläche von dem Druck im Innenraum und an ihrer dem Deckel 17 zugekehrten, zweiten Fläche, die etwa genauso groß wie die erste Fläche ist, von dem Druck, der in der Um- gebung herrscht beaufschlagt und sucht immer eine Lage und Form einzunehmen, in der die Summe aller an ihr angreifenden Kräfte null ist. Damit der Druck im Innenraum 13 geringfügig höher als der Umgebungsdruck ist, wird die Membran 18 gegen den Innendruck zusätzlich vom Umgebungsdruck noch von einer Feder 20 beaufschlagt, die zwischen einem formstabilen, zentralen Membranteller 21 und dem Deckel 17 eingespannt ist. Die Kraft der Feder 20 ist unter Berücksichtigung der Größe der druckbeaufschlagten Flächen der Membran so gewählt, dass der Druck im Innenraum zum Beispiel zwischen 0,5 bar bis 2 bar höher als der Umgebungsdruck ist. An dem

Membranteller 21 ist eine Stange 22 befestigt, die in dem Deckel 17 geführt ist, die mit einer Maßverkörperung versehen und Teil eines Gebers sein kann, der die Position des Zentrums der Membran 18 erfasst. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ragt die Stange 22 über den Membranteller 21 hinaus in den Innenraum 13 des Behälters 12 und ist dort mit einer Maßverkörperung versehen. Ein Positionsensor 56 erfasst die Position der Stange 22 und da- mit der Membran 18 und gibt ein entsprechendes Signal an die elektrische Steuereinheit 51 . Dann wird der Kontakt der Maßverkörperung und des Positionssensors 56 mit Seewasser vermieden und die Zuverlässigkeit wird höher. Im Innenraum 13 des Behälters 12 sind bis auf die Quelle der elektrischen Leistungsenergie und übergeordneter elektrischer Steuersignale alle mechanischen, elektrischen und hydraulischen Komponenten untergebracht, die zur Steuerung des elektrohydraulischen Kompaktantriebs 10 notwendig oder vorteilhaft sind.

Der Innenraum 13 des Behälters 12 enthält eine Hydropumpe 30 und einen Hydromotor 31 , die über zwei Arbeitsleitungen 32 und 33 miteinander verbunden sind und zusammen in einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf angeordnet sind. Sowohl die Hydropumpe 30 als auch der Hydromotor 31 sind in ihrem Hubvolumen verstellbar. Und zwar ist der Hydromotor zwischen einem maximalen Wert und einem Hubvolumen null oder nahe null verstellbar. Die Hydropumpe 30 wird immer in die gleiche Richtung angetrieben und ist in ihrem Hubvolumen zwischen einem maximalen positiven Wert und einem maximalen negativen Wert verstellbar. Entsprechend ist die Arbeitslei- tung 32 Hochdruckleitung und die Arbeitsleitung 33 Niederdruckleitung oder umgekehrt je nachdem, in welche Richtung die Hydropumpe von einer Neutralstellung oder Nullstellung aus verstellt ist. Durch Verstellung der Hydropumpe über null kann also unter Beibehaltung der Drehrichtung von Elektromotor und Hydropumpe die Drehrichtung des Hydromotors umgekehrt wer- den. Der in der Arbeitsleitung 32 herrschende Druck wird durch einen Drucksensor 34 erfasst. Entsprechend kann auch der in der Arbeitsleitung 33 herrschende Druck von einem Drucksensor erfasst werden. In der Arbeitsleitung 33 befindet sich eine Drossel 35, zu der parallel eine Einrichtung 36 zum Abtrennen von im Hydraulikfluid, das üblicherweise ein Öl ist, enthaltenem Wasser geschaltet ist. Aufgrund der Drossel 35 fließt ein Teil des vom Hyd- romotor 31 zur Hydropumpe 30 rückströmenden Hydraulikfluids über die Abtrenneinrichtung 36, so dass immer ein Teil des rückströmenden Öls gereinigt wird. Die Einrichtung 36 kann auch mit einem Filter zum Reinigen des Hydraulikfluids von Feststoffpartikeln kombiniert sein.

Der Hydromotor 31 besitzt eine Abtriebswelle 37, mit einem sich außerhalb des Behälters 13 befindlichen Propeller 40 drehfest gekoppelt ist, der das Abtriebselement des elektrohydraulischen Antriebs bildet. Eine zentrale Triebwelle 41 des Propellers ist dicht durch eine Wand des Behälters 13 ge- führt und im Innern mit der Abtriebswelle 37 des Hydromotors 31 verbunden. Die Drehzahl der Abtriebswelle des Hydromotors und der Triebwelle des Propellers wird durch einen innerhalb des Behälters angeordneten Drehzahlsensor 42 erfasst. Die Hydropumpe 30 wird von einem Elektromotor 50 angetrieben, der in seiner Drehzahl regelbar und dazu mit einer elektrischen Steuereinheit 51 verbunden, die ebenfalls im Innenraum 13 untergebracht und über das abgedichtet aus dem Behälter 12 herausgeführte Kabel 1 1 mit einer elektrischen Energiequelle an der Meeresoberfläche und eventuell auch mit einer unter Wasser angeordneten übergeordnete elektrische Steuerung verbunden ist. Die Drehzahl des Elektromotors 50 und der Hydropumpe 30 wird von einem Drehzahlgeber 52 erfasst und von der Steuereinheit 51 verarbeitet.

Außer den bisher schon genannten Sensoren ist noch ein Temperatursensor 53 zur Erfassung der Temperatur des sich im Behälter befindlichen Hydraulikfluids und ein Beschleunigungssensor 54 zur Erfassung von Beschleunigungen des Kompaktantriebs vorhanden.

Der Elektromotor 50 ist auch als Generator, die Hydropumpe 30 ist auch als Hydromotor und der Hydromotor 31 ist auch als Hydropumpe betreibbar, der von dem Propeller angetrieben als Pumpe die als Hydromotor arbeitenden Pumpe 30 mit Hydraulikfluid versorgt. Von der als Hydromotor arbeitenden Pumpe 30 wiederum ist der Elektromotor 50 als Generator antreibbar. Auf diese Weise kann aus einer Drehbewegung des Propellers elektrische Ener- gie zurückgewonnen und zum Beispiel in einer Batterie gespeichert werden.

Der Kompaktantrieb enthält noch einen elektronischen Steuermodul 55, der ein Bestandteil einer Steuerung ist, mit der ein Fahrzeug gesteuert wird, das den Kompaktantrieb aufweist, und der eine eingebaute Funktionalität für eine dynamische Positionssteuerung des Fahrzeugs hat. Gegenüber dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind auch Abwandlungen eines erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Systems möglich.

Der Behälter weist zwei eine Schnittstellen 56 auf, die dazu dienen, unter Wasser Hydraulikfluid nachzufüllen oder auszutauschen.

Die elektrische Steuerung umfasst in einfachster Form einen Gleichstrom- Motor, ein elektrisches Steuergerät mit entsprechenden analogen und digitalen Ein- und Ausgangsschnittstellen sowie eine geeignete Stromversorgung.

Die elektrische Steuerung umfasst in fortgeschrittener Form einen Drehstrommotor mit entsprechendem Antrieb und Frequenzumrichter, ein elektrische Steuergerät mit entsprechenden analogen und digitalen Ein- und Ausgangsschnittstellen sowie eine geeignete Stromversorgung und Netzwerk- schnittsteilen, sowohl LAN, Bus-Systeme als auch Fiber-Optik-Kabel oder Wireless-LAN.

Das elektrische Kabel umfasst neben der Spannungsversorgung auch die elektrischen Signale für die Steuerungskommunikation, wie zum Beispiel Sollwerte, Istwerte und Fehlermeldung. Eine Zustandsuberwachung (Condition Monitoring) des elektrohydraulischen Systems ist in der elektrischen Steuerung implementierbar, indem alle Sensorsignalen mit entsprechenden Algorithmen, umgesetzt in Form einer Soft- wäre, ausgewertet werden. Bei Störungsfall kann die Steuerung den Kompaktantrieb autonom in einen sicheren Ruhezustand bringen und die übergeordnete Steuerung informieren. Dazu können präventive und reaktive Wartungsmaßnahmen an die übergeordnete Steuerung kommuniziert werden. Aus Figur 2 ist ein Satz von acht erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Kompaktantrieben 10 ersichtlich, von denen jeder wie der elektrohydrauli- sche Kompaktantrieb aus Figur 1 ausgebildet ist und die sich alle an demselben Unterwasserfahrzeug befinden. Die elektrischen Steuerungen 51 der Kompaktantriebe sind mit einer zentralen Master-Steuerung 60 verbunden, die die einzelnen Kompaktantriebe gemäß dem für das Fahrzeug vorgegebenen Bewegungsmuster ansteuert. Zwei der Kompaktantriebe sind für entgegengesetzte Bewegungen des Fahrzeugs entlang einer x-Achse zuständig. Zwei weitere Kompaktantriebe sind für entgegengesetzte Bewegungen des Fahrzeugs entlang einer y-Achse zuständig. Ein weiterer Kompaktantrieb ist für eine Bewegung des Fahrzeugs in Richtung einer z-Achse zuständig, wobei davon ausgegangen wird, dass eine Bewegung in die eine Richtung der z-Achse aufgrund der Schwerkraft erfolgt. Von den drei weiteren Kompaktantrieben ist einer für Drehungen um die x-Achse, einer für Drehungen um die y-Achse und einer für Drehungen um die z-Achse zuständig.

Bei Ausfall eines oder mehrerer der in Figur 2 gezeigten elektrohydraulischen Kompaktantriebe 10 wird der Ausfall durch einen intelligenten Algorithmus oder Regelkreis so weit wie möglich kompensiert, so dass im Notfall noch wesentliche Bewegungsabläufe ausgeführt werden. Von den vier in Figur 3 gezeigten Abtriebsmöglichkeiten entspricht diejenige gemäß Figur 3a der in den Figuren 1 und 2 gezeigten. Ein Propeller 40 wird über eine zentrale Triebwelle 41 direkt von einem Hydromotor angetrieben. Figur 3 b zeigt einen Propeller 40, dessen zentrale Triebwelle 41 zwar parallel zur Abtriebswelle 37 eines Hydromotors angeordnet ist, jedoch einen Abstand von der Welle 37 hat. Die Abtriebswelle des Hydromotors und die Triebwelle des Propellers sind über einen Zugmitteltrieb miteinander gekoppelt.

Gemäß der Ausführung nach Figur 3c kann von dem Hydromotor eines erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Kompaktantriebs auch ein einzelnes Rad 61 direkt angetrieben werden. Das Rad kann gemäß Figur 3d Teil eines Raupenfahrwerks sein.

Figur 4 zeigt eine Seilwinde 62, die direkt über eine zentrale Triebwelle 41 von dem Hydromotor 31 angetrieben wird. In der elektrischen Steuereinheit sind dann für die Ansteuerung einer Seilwinde typische Regelalgorithmen implementiert, um zum Beispiel die Position eines Schiffs oder einer Unter- wasser-Maschine zu regeln oder einen Aktuator zu bewegen oder eine Last abzusenken oder anzuheben. Seilwinden werden auf Schiffen für viele Anwendungen eingesetzt. Für viele Anwendungen ist es günstig, Algorithmen zur Kompensation des Seegangs zu implementieren (Heave Compensation System).

In Summe ist somit ein erfindungsgemäßer elektrohydraulischer Kompaktantrieb mit niedrigen Gesamtbetriebskosten geschaffen, der eine hohe Energieeffizienz, hohe Zuverlässigkeit und ein hohes Sicherheitsniveau besitzt, der wartungsfreundlich ist und hohe Leistung bringt. Durch die kompakte Bauweise wird eine Reduzierung des Gewichts des gesamten Antriebssystems im Vergleich zu einer aufgelösten Bauweise erzielt.

Ein erfindungsgemäßer Kompaktantrieb ist deshalb in besonderer weise für den Einsatz an neuen Fahrzeugen und Maschinen für die Tiefsee, wie zum Beispiel Unterwasser-Roboter ROV's und AUV's oder Unterwasser- Maschinen zum Beispiel für die Rohstoffgewinnung geeignet, die somit technisch und ökonomisch eher realisierbar sind.

Bezugszeichenliste

10 Kompaktantrieb

1 1 elektrisches Kabel

12 Behälter

13 Innenraum von 12

14 Öffnung

15 Flachrand von 12

16 Flansch

17 Deckel

18 Membran

19 Löcher in 17

20 Feder

21 Membranteller

22 Stange mit Maßverkörperung

25 Druck-Kompensationseinrichtung

30 Hydropumpe

31 Hydromotor

32 Arbeitsleitung

33 Arbeitsleitung

34 Drucksensor

35 Drossel

36 Abtrenneinrichtung

37 Abtriebswelle von 31

40 Propeller

41 Triebwelle

42 Drehzahlsensor

50 Elektromotor

51 elektrische Steuereinheit

52 Drehzahlgeber Temperatursensor

Beschleunigungssensor elektronischer Steuermodul Positionssensor

elektrische Steuerung Rad

Seilwinde

Claims

Patentansprüche

1 . Elektrohydraulischer Kompaktantrieb (10) für den Einsatz unter Wasser und für den Antrieb eines Abt ebselements (40, 61 , 62)mit einem Hyd- romotor (31 ) als Komponente, der eine Abtriebswelle (37) aufweist, mit einer Hydropumpe (30) als Komponente, von der der Hydromotor (31 ) über eine Arbeitsleitung (32) mit einem Hydraulikfluid versorgbar ist, und mit einem Elektromotor (50) als Komponente, von dem die Hydropumpe (30) antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Komponenten (30, 31 , 50) in ei- nem geschlossenen, mit Hydraulikfluid gefüllten Behälter (12) befinden und dass der Behälter (12) eine Öffnung zur Koppelung der Abtriebswelle (37) des Hydromotors (31 ) mit dem Abtriebselement (40, 61 , 62) aufweist.

2. Elektrohydraulischer Kompaktantrieb nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei der Elektromotor (50) in seiner Drehzahl regelbar ist.

3. Elektrohydraulischer Kompaktantrieb nach Patentanspruch 3, wobei in dem Behälter (12) eine elektrische Steuerung (51 ) zur Stromversorgung des Elektromotors (50) angeordnet ist.

4. Elektrohydraulischer Kompaktantrieb nach Patentanspruch 4, wobei die elektrische Steuerung (51 ) mit Rechenleistung ausgestattet und mit Algorithmen zum Betrieb der Komponenten (30, 31 . 50) programmiert ist oder dafür geeignet ist, um mit Algorithmen zum Betrieb der Komponenten pro- grammiert zu werden.

5. Elektrohydraulischer Kompaktantrieb nach Patentanspruch 3 oder 4, wobei der Hydromotor (31 ) auch als Hydropumpe, die Hydropumpe (30) auch als Hydromotor und der Elektromotor (50) angetrieben durch die als Hydromotor arbeitende Hydropumpe auch als Generator betreibbar sind und wobei in die elektrische Steuerung (51 ) Algorithnnen zur Rückgewinnung und Speicherung von Energie integriert sind.

6. Elektrohydraulischer Kompaktantrieb nach einem vorhergehenden Pa- tentanspruch, wobei die Hydropumpe (30) in ihrem Hubvolumen verstellbar ist.

7. Elektrohydraulischer Kompaktantrieb nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei der Hydromotor (31 ) in seinem Hubvolumen verstellbar ist.

8. Elektrohydraulischer Kompaktantrieb nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei Sensoren (34, 42, 53, 54), insbesondere Sensoren für den Druck, Drehzahl und Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung, Temperatur und Wassertiefe, insbesondere microelektromechanische Sensoren (MEMS) integriert sind.

9. Elektrohydraulischer Kompaktantrieb nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei Regelfunktionen zur automatischen Kompensation von externen Störungen wie z.B. Wasserströmungen oder Gegenkräften bei Betätigung eines Aktuators integriert sind.

10. Elektrohydraulischer Kompaktantrieb nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei er mindestens eine Kommunikationsschnittstelle zum Austausch von Daten mit oder ohne Kabel aufweist.

1 1 . Elektrohydraulischer Kompaktantrieb nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei Sicherheitsfunktionen als geschlossene Regelkreise integriert sind.

12. Elektrohydraulischer Kompaktantrieb nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei Algorithmen zur Zustandsüberwachung

(Condition Monitoring) integriert sind.

13. Elektrohydraulischer Kompaktantrieb nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei Algorithmen zur Regelung einer Seilwinde integriert sind.

14. Elektrohydraulischer Kompaktantrieb nach einem vorhergehen- den Patentanspruch, wobei er zumindest eine Schnittstelle (56) aufweist, über die Hydraulikfluid unter Wasser nachgefüllt oder ausgetauscht werden kann.

15. Elektrohydraulischer Kompaktantrieb nach einem vorhergehen- den Patentanspruch, wobei seine elektrischen und mechanischen Schnittstellen unter Wasser abkoppelbar sind.

16. Elektrohydraulischer Kompaktantrieb nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei er einen hydraulischen Filter und/oder eine Ein- richtung (36) zur Abtrennung von Kontaminationen des Hydraulikfluids mit Wasser und Schmutzpartikel mit oder ohne Status-Sensoren aufweist.

17. Elektrohydraulischer Kompaktantrieb nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei der Behälter (12) einen beweglichen Kompensa- tionskolben (18) aufweist, der mit einer ersten Fläche den Innenraum (13) des Behälters (12) begrenzt und an einer zweiten Fläche, die genauso groß wie die erste Fläche und dieser entgegen gerichtet ist, vom Umgebungsdruck beaufschlagt ist.

18. Satz von mindestens zwei elektrohydraulischen Kompaktantrie- ben nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei die elektrohydraulischen Kompakteinheiten (10) an einem zu bewegenden Gerät angeordnet sind und wobei die Bewegung des Geräts durch aufeinander abgestimmtes Betreiben der elektrohydraulischen Kompakteinheiten (10) mit oder ohne eine übergeordnete Steuerung (60) realisiert wird.

19. Satz von mindestens zwei elektrohydraulischen Kompaktantrieben nach Patentanspruch 18, wobei ein intelligenter Algorithmus oder Regel- kreis den Ausfall einer Kompakteinheit (10) durch das Betreiben der anderen Kompakteinheiten (10) so weit wie möglich kompensiert (Fault-Tolerant Control System)