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Elektromotorischer Antrieb von mechanischen bzw. hydraulischen
Stellgliedern mit Nullspannungs-Rückstellung
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B.feder als Kraftspeicher, bei welchem die Antriebswelle und die das Stellglied tragende Abtriebswelle voneinander getrennt sind.
Mittelsderartiger Antriebe werdenbei Spannungs-Ausfall das mit der Abtriebswelle verbundene Stellglied und bei Spannungsrückkehr der Antrieb selbst von ihrer jeweils bei Spannungs-Ausfall bzw. -Rück- kehr wieder in ihre Ausgangslage zurückgebracht-die also die Schliess- oder die Öffnungsstellung des Stellgliedes sein kann.
Zu diesem Zwecke ist nun der Antrieb mit einem Energiespeicher - vorzugsweise eine Spiralfeder - versehen, der bei Spannungsausfall das Stellglied in seine Ausgangslage zurückführt ; diese Spiralfeder, die mit ihrem inneren Ende an der Motor-Antriebswelle und mit ihrem äusseren an einer Abtriebswelle befestigt ist, wird vorgespannt, sobald sich die Abtriebswelle in Arbeitsrichtung des Stellgliedes dreht-bei Drehung in der Gegenrichtung dagegen entspannt ; die Drehbewegung des Antriebes ist durch feststehende Anschläge begrenzt.
Nach Einschalten des elektromotorischen Antriebes wird dessen Abtriebswelle bis zu einem der beiden Anschläge gedreht und dabei das Stellglied solange geöffnet oder geschlossen gehalten, als der Motor eingeschaltet bleibt. Fällt nun die Netzspannung aus, so stellt die durch die Antriebswelle gespannte Spiralfeder Motor, Getriebe und Abtriebswelle samt dem Stellglied wieder bis zum andern Anschlag - also in die Ausgangslage - zurück, so dass nunmehr das Stellglied wieder geschlossen bzw. geöffnet ist.
Die Begrenzung des Abtriebs-Drehwinkels erfolgt zweckmässig durch zwei je an einem Anschlag angeordnete Endschalter, durch welche der Motor ein-bzw. ausgeschaltet und gleichzeitig eine Magnetbremse aus-bzw. eingeschaltet wird, welch letztere somit bei vorhandener Netzspannung in eingeschaltetem Zustande sowie bei ausgeschaltetem Motor das Getriebe und über dieses das mechanische Stellglied in seiner jeweiligen Lage festhält ; bei Spannungsausfall wird die Magnetbremse entregt und die gespannte Spiralfeder stellt das Getriebe mit der Abtriebswelle samt Stellglied zum andern Anschlag in die Ausgangslage zurück.
Um nun beim Zurückführen des Stellgliedes die Spiralfeder von der unnötigen Motorbelastung freizumachen, wurde bereits vorgeschlagen, zwischen Motor-Antriebswelle und Abtriebswelle eine MagnetKupplung anzuordnen, welche bei Spannungsausfall die Antriebswelle von der Abtriebswelle trennt und somit die Spiralfeder nur die Abtriebswelle allein ohne Motor-Belastung bis zu dem ihre Ausgangslage definierenden Anschlag zurückzubewegen braucht. Die Rückstellkraft der Spiralfeder, die an der Antriebswelle sowie an der Abtriebswelle befestigt ist, wirkt jedoch auf die Antriebswelle dauernd ein-auch bei
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des Stellgliedes-so dass die zum Einstellen des Stellgliedes erforderliche Motorkraft1m den Betrag kleiner und beträgt im allgemeinen nur etwa 25 - 300/0 des sonst verfügbaren Drehmomentes.
Ausserdem ist es sehr nachteilig, dass beim ganzen Regelvorgang die Rückstellkraft der Spiralfeder ! tets auf das Stellglied einwirkt und schon in dessen Ausgangslage für eine ausreichende Kraft-Speicherung in der Spiralfeder gesorgt werden muss.
Nach der Erfindung werden bei elektromotorischen Antrieben mit Nullspannungs-Rückstellung der eingangs beschriebenen Art alle diese Nachteile dadurch vermieden, dass die Spiralfeder mit einem Ende an
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einem auf der Antriebswelle aufgesetzten Teil und andernendes an einem mit der Abtriebswelle verbundenen Teil des Feder-Gehäuses befestigt ist und diese beiden Teile durch eine-vorzugsweise elektromagnetisch bzw. elektrothermisch betätigbare - Kupplung lösbar verbunden sind und dass am erwähnten Gehäuse-Teil Kontakte eines durch die Antriebswelle gesteuerten Hilfsschalters isoliert befestigt sind.
In der Zeichnung sind zwei beispielsweise Ausführungsformen des erfindungsgemässen elektromotorschen Antriebes dargestellt. Es zeigen Fig. 1 und 2 einen Antrieb mit aufgezogener Spiralfeder im Mittel- schnittbzw. imhorizontalenQuerschnitt 11-11 der Fig. l ; Fig. 3 und 4 denselben Antrieb im gleichen Querschnitt - jedoch in Betriebs-Stellung bzw. bei Spannungsausfall in Anschlagstellung ; Fig. 5 das elektrische Schaltschema der Nullspannungs-Rückstellung des Antriebes ; und schliesslich Fig. 6 eine Variante des Antriebes mit einem Windflügel im Mittelschnitt.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Antrieb ist die Antriebswelle 1 eines Motors 2 mit einem Flansch 3 verbunden, an dessen Nabe die Spiralfeder 4 mit einem Ende befestigt ist ; koaxial zur Antriebswelle 1 ist die Abtriebswelle 6 angeordnet, die ein (nicht eingezeichnetes) mechanisches oder hydraulisches Stellglied
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Flansch 3 umgreift und an welchem das äussere Ende 8 der Spiralfeder 4 achsenparallel befestigt ist. Auf dem Flansch 3 ist ein elektromagnetisches Betätigungs-Organ für die hier als Stift 12 ausgebildete Kupplung angebracht, welches aus dem Elektromagneten 9, dem Anschlag 10 und dem Anker 11 besteht, der auf den Kupplungsstift 12 einwirkt ; das Betätigungs-Organ für die Kupplung kann selbstverständlich auch als elektrothermische Einrichtung ausgebildet sein.
Der Kupplungsstift 12 ist so lang, dass er bei angezogenem Anker 11 mit seinem freien Ende in eine Öffnung 13 in der Wand des Gehäuseteiles 7 einrasten kann und im stromlosen Zustand des Elektromagneten 9, bei welchem der Anker 11, wie die Fig. 4 zeigt, durch eine Feder 14 an den Anschlag 10 gedrückt wird, aus der Öffnung 13 wieder ausrastet. Durch den Kupplungsstift 12 können somit der Flansch 3 und der Gehäuseteil 7 miteinander lösbar gekuppelt werden. Des weiteren weist der Flansch 3 einen Schaltarm 15 auf, der einen im Gehäuseteil 7 vorgesehenen Hilfsschalter 16 betätigt, welcher als ein Umschalter ausgebildet ist und aus einem Umschaltkontakt 17 sowie zwei feststehenden Kontakten 18, 19 besteht. Der Umschaltkontakt 17 ist ein Federkontakt, welcher in Ruhestellung des Umschalters am feststehenden Kontakt 18 anliegt.
Auf der Aussenwand des Gehäuseteils 7 ist ferner eine Nase 20 angebracht, welche mit einem Anschlag 21 eines am Motor 2 befestigten LagerbügeIs 22 zusammenarbeitet.
In Fig. 5. welche den elektrischen Steuerteil der Rückstelleinrichtung darstellt, ist der Motor 2 über Netzleitungen 23, 24 an Speiseleitungen 0, P angeschlossen, wobei der Motor 2 über die Netzleitung 23 unmittelbar mit der Speiseleitung 0 und uber die Netzleitung 24 über mehrere Schalter mit der Speise-
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schalter 16. Der Steuerschalter 25 ist ein Umschalter, welcher den Motor 2 in an sich bekannter Weise, je nach Kontaktgabe seines Umschaltkontaktes 26. mit einem von zwei feststehenden Kontakten 27, 28 für die eine oder die andere Drehrichtung an die Speiseleitung P legt. Durch den Steuerschalter 25 wird die Netzleitung 24 in zwei Leiter 31, 32, von denen jeder für eine Drehrichtung des Motors 2 bestimmend ist. aufgeteilt, wobei im Leiter 31 der Endschalter 29 und im Leiter 32 der Hilfsschalter 16 vorgesehen sind.
Die Endschalter 29, 30 haben die Funktion, den Motor 2 bei einer bestimmten Stellung des mechanischen Stellgliedes auszuschalten. So trennt der Endschalter 29 beim vorliegenden Ausführungsbeispiel den Motor 2 beigeschlossenem Stellglied und der Endschalter 30 bei völlig offenem Stellglied von der Speiseleitung P ab. Der Hilfsschalter 16 ist im Leiter 32 zwischen dem feststehenden Kontakt 27 des Steuerschalters 25. und dem Endschalter 30 eingeschaltet und teilt den Leiter 32 in zwei Stromwege 33, 34 auf. In der Schaltstellung 17-19 (Betriebsstellung) des Umschaltkontaktes 17 des Hilfsschalters 16 und in der Schaltstellung 26-27 des Umschaltkontaktes 26 des Steuerschalters 25 wird der Leiter 32 durch den Stromweg 34 fortgesetzt und der Motor 2 bei geschlossenem Endschalter 30 für die eine Drehrichtung an die Speiseleitung P gelegt.
In der Schaltstellung 18-17 der Umschaltkontakte 17 des Hilfsschalters 16, wird der Leiter 32 durch den Stromweg 33 fortgesetzt, welch letzterer den Endschalter 29 überbrückt, wodurch der Motor 2 für die andere Drehrichtung über den Steuerschalter 25 an die Speiseleitung P gelegt wird. Die Schaltstellung 18-17 nimmt der Umschaltkontakt 17 bei Spannungsausfall ein, wie in nachstehendem noch ausgeführt wird.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ist folgende : In Ruhestellung der Einrichtung befindetsich, wie Fig. 2 zeigt, der Kupplungsstift 12 mit seinem freien Ende, bei erregter elektromagnetischer Einrichtung, in der Öffnung 13. Dadurch ist die Motorantriebswelle 1 über den Flansch 3, den Kupplungsstift 12 und der Gehäuseteil 7 mit der Abtriebswelle 6 starr verbunden. Die Spiralfeder 4 ist gespannt und der Schaltarm 15 hat den Umschaltkontakt 17 des Hilfsschalters'16 an den feststehenden Kontakt 19 ange-
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legt. Der Endschalter 30 ist geschlossen und der Endschalter 29 ist offen. Der Umschaltkontakt 26 des Steu- erschalters 25 ist in der Mittelstellung.
Beim Eintreffen eines Steuerbefehls schliesst der Umschaltkontakt 26 des Steuerschalters 25 den fest- stehenden Kontakt 27 und legt somit den Motor 2 über den Leiter 32, die Kontakte 17, 19 des Hilfsschal- ters 16, den Stromweg 34, den geschlossenen Endschalter 30, für die Arbeitsrichtung des mechanischen
Stellgliedes, an die Speiseleitung P. Damit liegt der Motor 2 an Netzspannung und beginnt das mecha- nische Stellglied in Arbeitsrichtung zu drehen-also gemäss Fig. 2 im Uhrzeigersinn. Da die Antriebswel- le 1 mit der Abtriebswelle 6 durch den Kupplungsstift 12 starr verbunden ist, wird beim Anlaufen des Mo- tors 2, dessen ganzes Drehmoment sofort auf die Abtriebswelle 6 übertragen.
Der Motor 2 überträgt seine
Drehbewegung über die Motorantriebswelle 1 und die Abtriebswelle 6 auf das mechanische Stellglied, wel- ches dadurch in seine Betriebsstellung gebracht wird.
Bei Beginn der Drehbewegung des Motors 2 wird der Endschalter 29 geschlossen, so dass nunmehr jeder der beiden Endschalter 29 bzw. 30 mit dem ihrem im Steuerschalter 25 zugeordneten feststehenden Kon- takt 27 bzw. 28 elektrisch leitend verbunden ist und der Steuerschalter 25 durch entsprechendes Umschal- ten seines Umschaltkontaktes 26 die Drehbewegung des Motors 2 und somit die Bewegung des mechani- schen Stellgliedes nach der einen oder andern Richtung steuern kann.
Sobald das mechanische Stellglied seine Endstellung erreicht hat-wie in Fig. 3 gezeigt-wird der Endschalter 30 geoffnet und der Motor 2 kommt zum Stillstand. Da die Antriebswelle 1 mit der Abtriebswelle 6 starr verbunden ist, anderseits nach der Abschaltung des Motors 2 keine Kraft auf die Motorantriebswelle 1 einwirkt, wie dies beispielsweise bei den bekannten Einrichtungen durch die Speicherfeder der Fall ist, ist bei ausgeschaltetem Motor keine zusätzliche, z. B. magnetisch gesteuerte, Haltevorrichtung für die Motorwelle nötig.
Bei Spannungsausfall wird der ständig an Spannung 0, P liegende Elektromagnet 9 entregt und die Feder 14 drückt den Anker 11 an den Anschlag 10 wodurch der Kupplungsstift 12 aus der Öffnung 13 gleitet, so dass die Motorantriebswelle 1 und die Abtriebswelle 6 entkuppelt werden. Da die Spiralfeder 4, wie vorstehend erwähnt und wie im nachstehenden noch näher erläutert wird, bereits aufgeladen war, kann sie sich jetzt entspannen und dreht die Abtriebswelle 6 und mit dieser das mechanische Stellglied in die Ausgangslage zurück. Diese Ausgangslage ist durch den am Lagerbügel 22 vorgesehenen Anschlag 21 bestimmt, an welchendie am Gehäuseteil 7 angeordnete Nase 20 in der Ausgangslage der Abtriebswelle 6 anzuliegen kommt, so dass sie nicht weiter drehen kann. Die Motorantriebswelle 1 verbleibt in der Stellung, welche sie vor Spannungsausfall eingenommen hatte.
Durch die rückläufige Drehbewegung der Abtriebswelle 6 wird der Umschaltkontakt 17 des Hilfsschalters 16 vom Schaltarm 15, welcher den Umschaltkontakt 17 bisher an den feststehenden Kontakt 19 ge- drückt gehalten hatte, gelöst und federt auf den feststehenden Kontakt 18 zurück. Die Vorrichtung nimmt somit nach Spannungsausfall und Zurückdrehen der Abtriebswelle 6 in ihre Ausgangslage die in Fig. 4 gezeigte Stellung ein. Die elektromagnetische Einrichtung ist jetzt entregt, der Kupplungsstift 12 aus der Öffnung 13 herausgezogen, die Spiralfeder 4 entspannt und der Hilfsschalter 16 mit seinem Umschaltkontakt 17 an den feststehenden Kontakt 18 gelegt.
Nach Rückkehr der Spannung und bei vorhandenem Steuerbefehl "Öffnen" wird der Motor 2 über den Steuerschalter 25, den Hilfsschalter 16 und den Stromweg 33 eingeschaltet und stellt die Motorantriebswelle 1 ebenfalls in die Ausgangslage zurück, Dabei wird die Rückstellfeder bzw. Spiralfeder 4 wieder gespannt. Ausserdem wird die elektromagnetische Einrichtung wieder erregt, der Anker 11 angezogen und der Kupplungsstift 12 mit seinem freien Ende gegen die Innenwand des Gehäuseteils 7 gedrückt. Durch die Drehung des mit der Motorantriebswelle 1 verbundenen Flansches 3 schleift das Ende des Kupplungsstiftes 12 auf der Innenwand des Gehäuseteils 7, bis sein freies Ende, in der Ausgangslage der Motorantriebswelle l, in die im Gehäuseteil 7 vorgesehene Öffnung 13 einrastet.
Ausserdem ist auch der Schaltarm 15 so weitherangedreht worden, dass er den Umschaltkontakt 17 des Hilfsschalters 16 von dem Kontakt 18 wieder auf den Kontakt 19 umlegt. Dadurch wird der Motorstromkreis umgeschaltet, der Endschalter 29 ist in der Ausgangslage der Vorrichtung geöffnet und der Endschalter 30 geschlossen, so dass wieder die Anschlagstellung der Vorrichtung vorliegt und das Steuerprogramm wieder einsetzen kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in Fig. 6 eine Nullspannungs-Rückstelleinrichtung dargestellt, welche nach dem gleichen Prinzip arbeitet wie die im vorstehenden beschriebene Einrichtung, jedoch abweichend von der letzteren durch zusätzliche mechanische Teile erweitert ist. Ausserdem weisen bei dieser Einrichtung der als Flansch 3 ausgebildete Antriebsteil und der Gehäuseteil 7 eine andere Form auf. Die Kupplungseinrichtung ist hier auf einem mit der Abtriebswelle 6 befestigten und als Träger 107 ausgebildeten Antriebsteil angeordnet.
Bei dieser Nullspannungs-Rückstelleinrichtung ist es einerseits möglich, die Kupplungsvorrichtung, welche hier ebenfalls aus dem Kupplungsstift 12 besteht, mit verhältnis-
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mässig geringer Kraft betätigen zu können und anderseits zu verhindern, dass die Abtriebswelle 6 nach der Entkupplung durch den Kupplungsstift 12 von der Motorantriebswelle 1 nach Massgabe der in der Spiralfeder 4 aufgespeicherten Kraft schlagartig in ihre Ausgangslage zurückgedreht wird. Diese NullspannungsRückstelleinrichtung weist als zusätzlich mechanische Teile einen Windflügel 36 auf, an dem axial ein Zahnrad 37 angeflanschtist, welches mit einem Zahnrad 38 kämmt, dessen Achse 39 in zwei Platinen 40, 41 des Trägers 107 gelagertist.
Auf der Achse 39 ist ein Zahnrad 42 lose gelagert, welches mit einem auf der Motorantriebswelle aufgepressten Antriebsteil, der hier als Zahnrad 103 ausgebildet ist, kämmt. Auf der Achse 39 ist ferner eine Schleppfeder 44 angeordnet, welche die Achse 39 umfasst und deren Ende am Zahnrad 42 befestigtist. Dadurch wirkt die Schleppfeder 44 für die eine Drehrichtung der Achse 39 für das auf dieser befestigte Zahnrad 38 als Freilaufvorrichtung, so dass die Teile 36, 38, 39 in dieser Drehrichtung
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die Teile 38, 39 mitdreht.
In Fig. 6 ist die Einrichtung in ihrer Ausgangslage gezeigt. Der Windflügel 36 liegt bei erregtem Elektromagneten 9 am freien Ende des Kupplungsstiftes 12 an. Dadurch ist die Motorantriebswelle 1 über die
Zahnräder 103 und 42, die Schleppfeder 44 und die Zahnräder 38 und 37 sowie den Träger 107, an welchem, wie bereits erwähnt, der Kupplungsstift 12 mit der elektromagnetischen Einrichtung befestigt ist, mit der Abtriebswelle 6 starr verbunden. Die Spiralfeder 4 ist aufgeladen und der Schaltarm 15 legt den in Fig. 6 nicht dargestellten Umschaltkontakt 17 des Hilfsschalters 16 an den ihm zugehörigen feststehenden Kontakt 19 an. Der Endschalter 30 ist geschlossen und der Endschalter 29 offen.
Die elektrische Steuerung der Einrichtung geht bei Eintreffen eines Steuerimpulses in gleicher Weise vor sich, wie vorstehend bereits beschrieben. Da die Motorantriebswelle 1 mit der Abtriebswelle 6 starr verbunden ist, wird das mit letzterer verbundene mechanische bzw. hydraulische Stellglied bei eintreffenden Steuerimpulsen in seine Arbeitsstellung gebracht. Hiebei wirken insbesondere der Kupplungsstift 12 als auch die Schleppfeder 44 als die die Motorantriebswelle 1 und die Abtriebswelle 6 und die Spiralfeder 4 als verbindende Teile, u. zw. ungeachtet welche Drehrichtung die Motorantriebswelle hat.
Bei Spannungsausfall wird der Elektromagnet 9 stromlos, der Kupplungsstift 12 gibt den Windflügel 36 frei und die aufgeladene Spiralfeder 4 kann nunmehr, abgestützt mit ihrem einen Ende 5 auf der Motorantriebswelle 1 mit ihrem andern Ende 6 über den Träger 107 auf die Abtriebswelle 6, in ihre Ausgangslage zurückdrehen. Durch die Drehbewegung des Trägers 107 läuft das lose auf der Achse 39 gelagerte Zahnrad 42 auf dem nun feststehenden Zahnrad 103 ab und überträgt seine Drehbewegung über die Schleppfeder 44 auf die Achse 39, so dass auch diese mitdreht und über die Zahnräder 38, 37 den Windflügel 36 betätigt, durchdessenzu überwindender Luftwiderstand über die vorerwähnten Teile dem zu plötzlichen Entspannen der gespeicherten Spiralfeder 4 Widerstand entgegengesetzt wird.
Nach Rückkehr der Netzspannung wird der blektromagnet S erregt und Kupplungsstift 12 wieder betätigt. Gleichzeitig dreht durch entsprechendes Umschalten des Hilfsschalters 16 die Mororantriebswelle l, bei Stillstand der Abtriebswelle 6, in ihre Ausgangslage zurück, wobei nunmehr die Spiralfeder 4 wieder
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103 gedreht, welches mit dem lose auf der Achse 39 gelagerten Zahnrad 42 kämmt. In dieser Drehrichtung rutscht die Schleppfeder 44 auf der Achse 39, die stillsteht. Somit kann das Zahnrad 42 ungehindert drehen.
Ein besonderer Vorteil der beschriebenen Nullspannungs-Rückstelleinrichtung gegenüber den bekannten Einrichtungen ist, dass bei ihr das Antriebsdrehmoment des Motors nicht vermindert wird und daher sein volles Nenndrehmoment zum Verstellen des Stellgliedes verfügbar ist. Dies ist auch deshalb beachtenswert, weil nunmehr die Spiralfeder, welche die Rückstellung des Stellgliedes bei Spannungsausfall bewirkt, kräftig sein kann, u. zw. kann sie bis zum vollen Antriebsdrehmoment ausgelegt werden. Das Antriebsdrehmoment wirkt nur dann auf die Spiralfeder ein, wenn diese nach der Rückstellung des Stellgliedes infolge eines Spannungsausfalles, aufgeladen wird.
Daraus ergibt sich, dass die Spiralfeder ungeachtet des jeweiligen Betriebszustandes des Stellgliedes, stets aufgeladen bleibt und nicht bei jedem Arbeitszyklus von neuem aufgespeichert werden muss. Ausserdem erfolgt die Aufladung der Spiralfeder bei ausge- kuppelter Belastung. Esistdahernicht nur möglich mit einem kleineren Motor eine grössere effektive Verstellkraft für das Stellglied zu erzielen, sondern es kann darüber hinaus auch die als Rückstelleinrichtung wirkende Spiralfeder kräftiger ausgeführt sein, womit ein sicheres und schnelles Zurückstellen des Stellgliedes in seine Ausgangslage bei Spannungsausfall gewährleistet ist.