-
Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb mit einem Motor, einem mit dem Motor gekoppelten Getriebe, einem Abtrieb und einem Federelement, das mittels des Motors spannbar und dazu ausgebildet ist, den Abtrieb bei stromlosem Motor durch in dem gespannten Federelement gespeicherte Energie in eine definierte Endlage zu bewegen.
-
Derartige Stellantriebe mit Federrücklauf werden zur Betätigung von Stellgliedern, insbesondere Klappen in Heizungs-, Klima- und Lüftungsanlagen, eingesetzt. Stellantriebe, die auch als Federrücklaufantriebe bezeichnet werden, weisen eine Rückstellfeder auf, die durch einen Elektromotor und ein damit gekoppeltes Untersetzungsgetriebe gespannt wird. Die in der Rückstellfeder gespeicherte Energie wird freigesetzt, sobald der elektrische Motor stromlos wird. Durch den Federrücklauf ist gewährleistet, dass bei einem Stromausfall das Stellglied, insbesondere die Klappe, in eine definierte Endlage bewegt wird. Üblicherweise ist die definierte Endlage eine Schließstellung. Ein derartiger Stellantrieb ist aus der
EP 0 697 546 A1 bekannt.
-
Für bestimmte Anwendungen werden auch Stellantriebe eingesetzt, bei denen die Klappe in der Endstellung geöffnet ist.
-
Aus der
EP 0 697 571 A1 ist ein Stellantrieb bekannt, der eine Bremsvorrichtung aufweist, um das Untersetzungsgetriebe während des Federrücklaufs zu schonen.
-
Stellantriebe, bei denen die Rückstellbewegung durch einen mechanischen Anschlag beendet wird, besitzen auf Grund der auftretenden stoßartigen Belastung eine begrenzte Lebensdauer. Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, einen hydraulischen Dämpfer oder einen Freilauf vorzusehen, um die beim Erreichen der Endlage bzw. beim Auftreffen auf einen Endanschlag auftretenden Belastungen zu verringern.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Stellantrieb anzugeben, bei dem beim Erreichen der Endlage keine stoßartige Belastung auftritt.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Stellantrieb der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass er einen Controller aufweist, der bei stromlosem Motor durch in elektrische Energie umgewandelte induzierte Gegen-EMK (elektromotorische Kraft) gespeist wird und der mit einem Sensor zum Erfassen des Drehwinkels und/oder der Position des Abtriebs gekoppelt ist, wobei der Controller dazu ausgebildet ist, die Bewegung des Motors vor dem Erreichen der definierten Endlage durch Erzeugen eines der Bewegung des Motors entgegenwirkenden Bremsmoments abzubremsen.
-
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die während des Federrücklaufs induzierte Gegen-EMK genutzt werden kann, um einen Controller mit elektrischer Energie zu versorgen. Der Controller löst eine gezielte Abbremsung der Bewegung des Abtriebs vor dem Erreichen der Endlage und somit vor dem Aufprall auf einen Endanschlag aus. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass keine separate Energieversorgung, insbesondere keine separate Stromversorgung für den Controller, erforderlich ist. Die gewünschte Abbremsung während des Federrücklaufs funktioniert somit auch dann, wenn der Federrücklauf auf Grund eines Stromausfalls der Stromversorgung des Motors ausgelöst wird. Wenn die Stromversorgung des Motors abgeschaltet oder ausgefallen ist, wird der Motor unter der Wirkung der in dem Federelement gespeicherten Energie selbsttätig in die definierte Endlage bewegt. Der Motor wirkt in diesem Betriebszustand als Generator, so dass an den Klemmen des Motors eine Spannung erzeugt wird und abgegriffen werden kann. Die während des Federrücklaufs vorhandene kinetische Energie wird zumindest teilweise in elektrische Energie umgewandelt, die dem Controller als Betriebsspannung zur Verfügung steht. Der Controller beeinflusst den Federrücklauf derart, dass er ein der Drehrichtung des Federrücklaufs entgegengesetztes Bremsmoment erzeugt, wodurch der mechanische Federrücklauf und somit die Bewegung des mit dem Motor gekoppelten Getriebes sowie des Abtriebs kontrolliert abgebremst und schließlich vollständig gestoppt wird. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass beim Erreichen der Endlage keine Kraftspitzen auftreten, die bei herkömmlichen Stellantrieben ansonsten zu einem frühzeitigen Ausfall von Getriebekomponenten und somit des gesamten Stellantriebs führen können. Der erfindungsgemäße Stellantrieb zeichnet sich somit einerseits durch einen besonders einfachen Aufbau und andererseits durch eine lange Lebensdauer aus.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Stellantrieb wird es bevorzugt, dass der Controller dazu ausgebildet ist, die Bewegung des Motors in Abhängigkeit des erfassten Drehwinkels des Abtriebs und/oder der erfassten Position des Abtriebs abzubremsen. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass das Bremsverhalten und insbesondere das erzeugte Bremsmoment exakt auf den aktuellen Drehwinkel und/oder die aktuelle Position des Abtriebs abgestimmt werden kann. Beispielsweise kann das Bremsmoment in einer gewünschten Weise drehwinkelabhängig oder von der Position des Abtriebs abhängig verändert werden, insbesondere erhöht werden. Dadurch kann die Drehgeschwindigkeit des Abtriebs oder einer damit mechanisch gekoppelten Getriebekomponente kontrolliert reduziert werden.
-
Vorzugsweise ist es bei dem erfindungsgemäßen Stellantrieb vorgesehen, dass der Controller dazu ausgebildet ist, das Bremsmoment vor dem Erreichen der definierten Endlage zu erhöhen. Auf diese Weise kann eine progressive Abbremsung des Abtriebs bewirkt werden, wodurch ein stoßartiger Aufprall des Abtriebs oder einer damit verbundenen Getriebekomponente, beispielsweise der Aufprall eines Zahnradsegments gegen einen Endanschlag, verhindert oder stark verringert werden kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass jedem Drehwinkel des Abtriebs ein bestimmtes Bremsmoment zugeordnet ist, das durch den Controller gesteuert wird. In ähnlicher Weise kann einer bestimmten Position des Abtriebs ein bestimmtes Bremsmoment zugeordnet sein, das durch den Controller erzeugt wird. Das Bremsmoment wird mittels der induzierten elektromotorischen Kraft erzeugt, die bei stromlosem Motor an den Motorklemmen abgegriffen werden kann. Die während des generatorischen Betriebs des Motors erzeugte elektrische Energie wird durch den Controller zum Erzeugen des Bremsmoments genutzt.
-
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass der Sensor zum Erfassen des Drehwinkels und/oder der Position ein berührungsloser Sensor ist. Ein berührungsloser Sensor zeichnet sich durch einen einfachen mechanischen Aufbau aus. Insbesondere wird keine mechanische Verbindung zwischen einer sich bewegenden Komponente, beispielsweise dem Abtrieb, und einer ortsfesten Sensorkomponente benötigt.
-
Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Stellantriebs kann der Sensor ein mit einem Dauermagnet zusammenwirkender Magnetencoder sein. Ein Dauermagnet erzeugt ein Magnetfeld, dessen Magnetfeldlinien mittels des Magnetencoders erfasst werden können. Der Magnetencoder liefert ein Signal, das eine Information bezüglich des Drehwinkels und/oder der Position des Abtriebs oder einer mit dem Abtrieb verbundenen Komponente des Getriebes umfasst.
-
Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass der Dauermagnet auf oder an einer Welle oder auf oder an einem Zahnrad einer vorletzten Getriebestufe vor dem Abtrieb angeordnet ist. Auf diese Weise erhöht sich die Auflösung des Sensors.
-
Besonders bevorzugt wird eine Variante des erfindungsgemäßen Stellantriebs, bei der der Sensor in einem Gehäuse angeordnet oder in einer Vergussmasse eingebettet ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist der Sensor zuverlässig vor äußeren Einflüssen geschützt, wodurch die Betriebssicherheit erhöht wird. Ein berührungsloser Sensor kann mit besonderem Vorteil in dem Gehäuse oder in der Vergussmasse, in dem bzw. in der sich der Motor befindet, angeordnet bzw. eingebettet sein, da eine berührungslose Messung des Drehwinkels oder der Position der sich bewegenden Komponente möglich ist.
-
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann der Drehwinkelsensor ein Potentiometer sein. Das Potentiometer umfasst eine ortsfeste Komponente, die beispielsweise an einem Grundkörper, beispielsweise an dem Gehäuse, in dem der Motor aufgenommen ist, angeordnet sein kann. Zusätzlich umfasst das Potentiometer eine bewegbare Komponente, beispielsweise einen gemeinsam mit dem Abtrieb drehbaren und daran angeordneten Abschnitt. Der drehbare Abschnitt ist fest mit dem Abtrieb verbunden, so dass der aktuelle Drehwinkel bzw. die aktuelle Position des Abtriebs anhand des aktuellen Widerstandswerts des Potentiometers erfassbar ist.
-
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stellantriebs sieht vor, dass zumindest der Motor, ggf. auch der Sensor, in einem explosionssicher ausgeführten Gehäuse aufgenommen ist. Dadurch ergibt sich der besondere Vorteil, dass keine Durchführung einer Sensorkomponente, beispielsweise einer Potentiometerwelle, durch bzw. in einen gekapselten und explosionssicher ausgeführten Bereich erforderlich ist. Auf Grund des vorzugsweise explosionssicher ausgeführten Gehäuses kann der erfindungsgemäße Stellantrieb auch in solchen Umgebungen eingesetzt werden, in denen explosive Gase oder andere explosionsgefährdete Stoffe vorhanden sind.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Stellantrieb ist es auch möglich, dass der Controller derart mit dem Motor elektrisch verbunden ist, dass der Controller bei stromlosem Motor durch die erzeugte Gegen-EMK aus einem Ruhezustand in einen aktiven Zustand versetzt wird. Während des normalen Betriebs ist der Controller vorzugsweise inaktiv, d. h. er befindet sich in einem Ruhezustand. In diesem Zustand verbraucht der Controller keine Energie. Wenn der Motor stromlos wird, wird die Sicherheitsfunktion des Stellantriebs aktiviert und der Federrücklauf unter der Wirkung der in der Feder gespeicherten Energie ausgelöst. Mittels der durch Induktion erzeugten Gegen-EMK wird der Controller mit elektrischer Energie versorgt und automatisch in den aktiven Zustand versetzt.
-
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Controller des erfindungsgemäßen Stellantriebs mit einem elektrischen Energiespeicher verbunden ist. Der elektrische Energiespeicher kann als Kondensator, als Superkondensator (Supercap), als Batterie oder als wiederaufladbare Batterie ausgebildet sein.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine schematische geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Stellantriebs,
- 2 eine Ansicht des Getriebes des in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Stellantriebs, und
- 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stellantriebs in einer geschnittenen Seitenansicht.
-
Der in 1 in einer geschnittenen Ansicht gezeigte Stellantrieb 1 umfasst einen Motor 2, der in einem Gehäuse 3 explosionssicher aufgenommen ist. Das Gehäuse 3 ist gekapselt und mit einer Vergussmasse 15 gefüllt.
-
Der Motor 2 ist mit einem schematisch dargestellten Getriebe 4 gekoppelt. Das Getriebe 4 ist als Untersetzungsgetriebe ausgebildet und reduziert die Drehzahl der Motorwelle auf eine niedrigere Drehzahl eines Abtriebs 5. Der Abtrieb 5 ist drehfest mit einer Hohlwelle 6 gekoppelt, in die eine Welle (nicht gezeigt) einsetzbar ist, mittels der eine Klappe oder dgl. betätigt werden kann. Der Abtrieb 5 ist so ausgebildet, dass er eine Drehung um etwa 90° ermöglicht.
-
2 zeigt die wesentlichen Komponenten des Getriebes 4 des in 1 gezeigten Stellantriebs 1. Eine Abtriebswelle 7 des Motors 2 ist über mehrere miteinander in Eingriff befindliche Zahnräder mit einem Zahnradsegment 9 des Abtriebs 5 gekoppelt, das drehfest mit der Hohlwelle 6 gekoppelt ist.
-
Das Getriebe 4 umfasst ein als Torsionsfeder ausgebildetes Federelement (nicht gezeigt), das als Energiespeicher dient.
-
Wenn der Motor 2 eingeschaltet wird, wird die Abtriebswelle 7 gedreht, die mittels der Komponenten des Getriebes 4 den Abtrieb 5 um 90° dreht, wodurch eine mit der Hohlwelle 6 gekoppelte Klappe betätigt wird. Üblicherweise wird die Klappe dadurch geöffnet. Durch diese Drehbewegung wird das Federelement gespannt. Beim Auslösen einer Sicherheitsfunktion wird der Motor 2 stromlos geschaltet. Dieselbe Situation tritt dann ein, wenn ein Stromausfall auftritt. In diesem Fall beschleunigt das gespannte Federelement die Komponenten des Getriebes 4 und den damit gekoppelten Motor 2. Die Drehrichtung ist dabei entgegengesetzt zu der Drehrichtung beim Betrieb des Motors 2. Die in dem Federelement gespeicherte potentielle Energie wird dabei in Bewegungsenergie umgewandelt. Gleichzeitig wird die mit dem Abtrieb 5 gekoppelte Klappe oder ein anderes mit dem Abtrieb 5 gekoppeltes Bauteil in eine festgelegte Position bewegt, üblicherweise wird die Klappe geschlossen. Alternativ kann der Stellantrieb auch so ausgebildet sein, dass sich die Klappe in der Endlage in einer geöffneten Position befindet.
-
Unter der Wirkung der in dem Federelement gespeicherten Energie werden die Zahnräder des Getriebes 4 beschleunigt. In 1 erkennt man, dass der Stellantrieb 1 einen Controller 10 aufweist, der mit einem Sensor 13 zusammenwirkt, der im Gehäuse 3 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Sensor 13 als berührungsloser Sensor ausgebildet und wirkt mit einem außenseitig an der Hohlwelle 6 angeordneten Dauermagnet 11 zusammen. Der Sensor 13 ist ein Magnetencoder. Mittels des Sensors 13 kann der Drehwinkel des Abtriebs 5 bzw. des damit drehfest verbundenen Zahnradsegments 9 erfasst werden. Der Controller 10 ist dazu ausgebildet, die Drehbewegung des Motors 2 im Uhrzeigersinn durch Erzeugen eines der Bewegung des Motors 2 entgegenwirkenden Bremsmoments abzubremsen.
-
In 2 erkennt man, dass dem Zahnradsegment 9 ein Anschlag 12 zugeordnet ist. Um zu verhindern, dass das Zahnradsegment 9 beim Erreichen der Endlage ungebremst gegen den Anschlag 12 prallt, bremst der Controller 10 die Drehbewegung des Motors 2 und des damit über das Getriebe 4 gekoppelten Zahnradsegments 9 ab.
-
Der Controller 10 überwacht permanent den Zustand des Stellantriebs 1. Wenn die Stromversorgung des Motors 2 entfällt, wird der Controller 10 durch die durch das Federelement ausgelöste Bewegung des Abtriebs 5 und des Zahnradsegments 9 mit elektrischer Energie versorgt und in einen aktiven Zustand versetzt. Die dem Controller 10 zugeführte elektrische Energie beruht auf der elektromotorischen Kraft, die durch das Federelement, das den Motor 2 in umgekehrter Drehrichtung beschleunigt, erzeugt wird. In diesem Zustand wird der Motor 2 als Generator betrieben. Die an den Klemmen des Motors 2 induzierte Spannung dient zur Stromversorgung des Controllers 10.
-
Der als Magnetencoder ausgebildete Sensor 13 umfasst den an dem Abtrieb 5 angebrachten Dauermagnet 11. Durch Erfassen der Magnetfeldlinien des Dauermagneten 11 während der Drehung des Abtriebs 5 und der Hohlwelle 6 kann der aktuelle Drehwinkel des Abtriebs 5 bestimmt werden. Die durch die Gegen-EMK induzierte Spannung wird von dem Controller 10 genutzt, um ein Bremsmoment zum Abbremsen des Motors 2 zu erzeugen. Das Bremsmoment wirkt in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel im Gegenuhrzeigersinn, entgegengesetzt zur Drehrichtung des Zahnradsegments 9. Dementsprechend werden auch das Getriebe 4 sowie der Abtrieb 5 abgebremst. Die Größe des Bremsmoments ist dabei von dem erfassten Drehwinkel abhängig. Wenn sich eine Kante 14 des Zahnradsegments 9 dem Anschlag 12 nähert, wird das Bremsmoment erhöht, so dass die Bewegung kurz vor einem Aufprall gestoppt oder zumindest stark gebremst wird, so dass bei einem Kontakt zwischen der Kante 14 des Zahnradsegments 9 mit dem Anschlag 12 kein oder lediglich ein geringer, unkritischer Impuls entsteht. Da die mechanische Belastung der Komponenten des Getriebes 4 auf diese Weise signifikant verringert werden kann, erhöht sich die Lebensdauer des Getriebes 4 beträchtlich.
-
Das Gehäuse 3, das sowohl den Motor 2 als auch den als Magnetencoder ausgebildeten Sensor 13 und den Controller 10 enthält, ist mit der Vergussmasse 15 vergossen. Der Motor 2 ist explosionssicher gekapselt. Die berührungslose Erfassung des Drehwinkels bietet den Vorteil, dass keine Durchführung des Sensors 13 durch das explosionssicher gekapselte Gehäuse 3 erforderlich ist.
-
3 ist eine geschnittene Ansicht und zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Stellantriebs 16. In Übereinstimmung mit dem vorangehenden Ausführungsbeispiel umfasst der Stellantrieb 16 den Motor 2, der in dem Gehäuse 3 angeordnet ist. Die Abtriebswelle 7 verbindet den Motor 2 mit einem Getriebe 17, das mehrere Getriebestufen umfasst und dessen Abtrieb 5 mit der Hohlwelle 6 gekoppelt ist. Der Controller 10 befindet sich in dem mit Vergussmasse 15 vergossenen Gehäuse 3. Innerhalb des Gehäuses 3 befindet sich auch der Sensor 13, der zum Erfassen des Drehwinkels und/oder der Position des Abtriebs 5 ausgebildet ist. Der Sensor 13 ist ein berührungsloser Sensor, der als Magnetencoder ausgebildet ist. Der Sensor 13 wirkt mit einem Dauermagnet 18 zusammen, der an der vorletzten Stufe des Getriebes 4 platziert ist. Der Dauermagnet 18 befindet sich somit eine Stufe vor dem Abtrieb 5. Der Abtrieb 5 bzw. das damit verbundene Zahnradsegment 9 legt einen Weg von etwa 90° zurück. Indem der Dauermagnet 18 wie in 3 gezeigt an der vorletzten Getriebestufe angeordnet ist, kann der als Magnetencoder ausgebildete Sensor 13 einen Drehwinkelbereich von etwa 330° erfassen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der aktuelle Drehwinkel des Abtriebs 5 bzw. dessen Position mit einer höheren Genauigkeit und Auflösung erfasst werden kann. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich der Dauermagnet 18 in einer Bohrung an einem Ende einer Welle 19 des Getriebes 4. Bei anderen Ausführungen kann der Dauermagnet auch an dem freien Ende der Welle angeordnet sein. In Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel liegt der Dauermagnet 18 dem Sensor 13 gegenüber, wodurch eine berührungslose Detektion durch das Gehäuse 3, das beispielsweise aus Aluminium besteht und das mit der Vergussmasse 15 vergossen ist, möglich ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Stellantrieb
- 2
- Motor
- 3
- Gehäuse
- 4
- Getriebe
- 5
- Abtrieb
- 6
- Hohlwelle
- 7
- Abtriebswelle
- 8
- Zahnrad
- 9
- Zahnradsegment
- 10
- Controller
- 11
- Dauermagnet
- 12
- Anschlag
- 13
- Sensor
- 14
- Kante
- 15
- Vergussmasse
- 16
- Stellantrieb
- 17
- Getriebe
- 18
- Dauermagnet
- 19
- Welle
-
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
-
- EP 0697546 A1 [0002]
- EP 0697571 A1 [0004]
