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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Aktuatorsystem, ein Möbelstück mit einem solchen Aktuatorsystem und ein Verfahren zum Ansteuern eines solchen Aktuatorsystem.
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Verstellbare Möbel sind sowohl im Bereich von Büroeinrichtungen als auch im Heimbereich bekannt. Häufigste Ausführungen im Büromöbelbereich sind beispielsweise elektrisch verstellbare Tische oder Stühle, während im Heimbereich elektrisch verstellbare Betten, Sitzmöbel oder Liegemöbel bekannt sind.
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Die Verstellung erfolgt üblicherweise über Linearaktuatoren oder ähnliche Aktuatorsysteme, die in eine oder mehrere Säulen des Tisches bzw. in einem Rahmen des Betts, Sitzmöbels oder Liegemöbels eingebaut sind.
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Solche Aktuatoren sind regelmäßig gebildet durch einen Elektromotor, der eine Motorwelle antreibt, und eine Umsetzeinrichtung, die eine Rotation der Motorwelle in eine lineare Auslenkung des Aktuators umsetzt. Beispielsweise werden Spindel-Mutter-Systeme als solche Umsetzanordnungen verwendet, wobei eine Spindel über ein Getriebe von der Motorwelle angetrieben wird und eine lineare Verschiebung der Mutter bewirkt. Dies führt dann am Beispiel eines Tisches zum Anheben oder Absenken der Tischplatte.
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Damit aber eine Kraft, die in linearer Richtung auf den Aktuator wirkt, beispielsweise durch eine Tischplatte, nicht umgekehrt zu einer Rotation der Spindel beziehungsweise der Motorwelle führt, sind in der Regel die miteinander agierenden Komponenten entsprechend ausgebildet. Beispielsweise wird eine Reibung zwischen den Komponenten bewusst so hoch gewählt, dass eine Selbsthemmung entsteht. Der Grad der Selbsthemmung bestimmt aber zugleich den Wirkungsgrad des Aktuators. Dementsprechend muss für eine lineare Verstellung des Aktuators bei einer hohen Selbsthemmung mehr Energie aufgewandt werden als bei niedriger beziehungsweise nicht vorhandener Selbsthemmung. Bei herkömmlichen Linearaktuatoren und ähnlichen Aktuatorsystemen ist somit zwischen einem vertretbaren Wirkungsgrad und einer notwendigen Selbsthemmung abzuwägen.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Antriebskonzept anzugeben, welches einen verbesserten Wirkungsgrad eines Aktuatorsystems ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
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Das verbesserte Antriebskonzept basiert auf der Erkenntnis, dass bei einem Aktuatorsystem Rückwirkungen von der Abtriebsseite auf die Antriebsseite grundsätzlich in beiden Antriebsrichtungen auftreten können, was zu einem unerwünschten Verhalten des Gesamtsystems führen kann. Solche unerwünschten Rückwirkungen können beispielsweise durch Gravitationskräfte, etwa die Gewichtskraft einer Tischplatte oder die Gewichtskraft eines Tischgestells oder aber bei einem Bett der Gewichtskraft einer Matratze, ausgelöst werden.
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Dementsprechend schlägt das verbesserte Antriebskonzept vor, eine Bewegung der Antriebsseite, etwa einer Motorwelle, selektiv zu bremsen beziehungsweise selektiv eine Bremswirkung aufzuheben, um damit selektiv eine Rotation der Motorwelle und damit gekoppelter Wellen, abzubremsen beziehungsweise letztendlich zu sperren. Eine solche Bremswirkung kann entweder für beide möglichen Drehrichtungen der Wellen vorgesehen werden oder alternativ lediglich in einer ausgewählten Drehrichtung, während in einer zweiten Drehrichtung eine Rotation ungehindert möglich ist.
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Bei einem Motor, der ein System rotierender Wellen aufweist, die durch den Motor abhängig voneinander angetrieben werden, wird dazu eine Bremsanordnung vorgesehen, welche eine der rotierenden Wellen als eine Bremswelle umfasst. Die Bremsanordnung umfasst wenigstens eine Bremskammer, die zwischen der Bremswelle und einer zugehörigen Bremswand mit einer im Wesentlichen zu einer Rotationsachse der Bremswelle parallelen Wandfläche gebildet ist, sowie für jede Bremskammer einen Bremskörper, der in der Bremskammer angeordnet ist. Um die selektive Bremswirkung zu erreichen, weist die Bremskammer wenigstens zwei Bereiche auf, nämlich einen, in dem der Bremskörper so gelagert ist, dass er keinen Kontakt zur Bremswelle hat und damit keine Bremswirkung erzeugt, sowie einen weiteren Bereich, in dem der radiale Abstand zwischen der Bremswand und der Rotationsachse abnimmt und in dem der Bremskörper einen reibschlüssigen Kontakt mit der Bremswand und der Bremswelle bilden kann. Im letztgenannten Bereich erhöht sich somit die Bremswirkung je kleiner der Abstand zwischen Bremswelle beziehungsweise Rotationsachse und der Bremswand wird.
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Der Bremskörper, der beispielsweise walzenförmig oder zylinderförmig ist, wird durch den reibschlüssigen Kontakt und die damit erzeugte Rotation des Bremskörpers in Richtung des abnehmenden Abstands gedrückt, sodass die Bremswirkung zunimmt.
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Um die Bremswirkung aber selektiv aufzuheben beziehungsweise im aufgehobenen Zustand zu belassen, wird der Bremskörper gezielt in den Bereich der Bremskammer gebracht beziehungsweise dort gehalten, wo er keinen reibschlüssigen Kontakt mit der Bremswelle hat. Dies geschieht gemäß dem verbesserten Antriebskonzept mittels eines Elektromagneten, der den Bremskörper, welcher magnetoaktiv ist, in eine Freilaufposition zieht beziehungsweise dort hält. Unter magnetoaktiv wird hierbei verstanden, dass magnetische Felder eine Kraftwirkung auf das Bremselement bewirken. Dies wird bekanntermaßen durch entsprechende Auswahl eines Materials erreicht, etwa eines eisenhaltigen oder ferromagnetischen Materials.
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Das System rotierender Wellen ist beispielsweise gebildet aus einer Motorwelle, welche beispielsweise starr mit einem Rotor des Motors verbunden ist, einer Getriebewelle eines Drehzahlreduziergetriebes, welches eingangsseitig mit der Motorwelle gekoppelt ist und ausgangsseitig mit einer Spindel der Umsetzanordnung gekoppelt ist. Die Spindel ist dabei ebenfalls Bestandteil des Systems rotierender Wellen. In alternativen Ausgestaltungen, zum Beispiel bei einem Direktantrieb, kann die Spindel auch direkt mit der Motorwelle gekoppelt sein oder alternativ identisch mit der Motorwelle sein. Im letzteren Fall würde das System rotierender Welle aus lediglich einer Welle bestehen. Die Bremswelle kann grundsätzlich durch jede Welle des Systems rotierender Wellen gebildet sein.
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In einer Ausgestaltung eines Aktuatorsystems mit einem Motor, einer Umsetzanordnung und einer Bremsanordnung wie oben beschrieben umfasst die Bremsanordnung wenigstens eine Bremskammer mit zugehörigen magnetoaktivem Bremskörper, der in der Bremskammer angeordnet ist. Dabei weist jede Bremskammer einen Freilaufbereich auf, der zur Aufnahme des jeweiligen Bremskörpers derart eingerichtet ist, dass der Bremskörper keinen reibschlüssigen Kontakt mit der Bremswelle hat. Zudem weist jede Bremskammer zumindest einen Bremsbereich auf, in dem ein radialer Abstand zwischen der Bremswand und der Rotationsachse entlang der Bremswand ausgehend vom Freilaufbereich abnimmt, beispielsweise kontinuierlich abnimmt. Jeder Bremskörper ist derart beweglich in der jeweiligen Bremskammer angeordnet, dass sich abhängig von seiner Position in der Bremskammer ein reibschlüssiger Kontakt zwischen dem Bremskörper und der Bremswelle und zwischen dem Bremskörper und der Bremswand bilden lässt. Der Elektromagnet ist eingerichtet, in einem aktivierten Zustand jeden Bremskörper in den zugehörigen Freilaufbereich zu bringen und vorzugsweise dort zu halten.
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Die Bremswirkung entfaltet sich somit sozusagen automatisch, da bei deaktiviertem Elektromagneten, zum Beispiel auch bei einem Ausfall der Versorgungsspannung, der oder die Bremskörper nicht mehr in der jeweiligen Bremskammer gehalten werden und somit abhängig von der Drehrichtung der Bremswelle in den Bremsbereich geraten können, um eine Abbremsung beziehungsweise Blockierung einer Rotationsbewegung zu bewirken. Durch die sich verjüngende Ausgestaltung der Bremskammer, das heißt den abnehmenden radialen Abstand, erhöht sich, abhängig von der Drehrichtung, die Bremswirkung automatisch, da der Bremskörper durch den reibschlüssigen Kontakt weiter in den sich verjüngenden Bereich gebracht wird.
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Abhängig von der Ausgestaltung der Bremswand könnte dies dazu führen, dass der Bremskörper beziehungsweise die Bremswelle und die Bremswand immer weiter steigenden Belastungen ausgesetzt sind. Dementsprechend weist in verschiedenen Ausführungsformen jede Bremskammer einen Begrenzungsbereich auf, in dem die jeweilige Bremswand einen Begrenzer zur Begrenzung einer Bewegung des jeweiligen Bremskörpers entlang der jeweiligen Bremswand umfasst. Dadurch wird beispielsweise eine maximale Klemmkraft zwischen Bremswand, Bremskörper und Bremswelle begrenzt.
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Beispielsweise ist die Bremsanordnung eingerichtet, durch den reibschlüssigen Kontakt des jeweiligen Bremskörpers diesen Bremskörper in der zugehörigen Bremskammer in einer Richtung zu bewegen, in der der radiale Abstand abnimmt, sodass eine Klemmkraft zwischen dem jeweiligen Bremskörper und der zugehörigen Bremswand sowie der Bremswelle ansteigt.
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In verschiedenen Ausgestaltungen weist die Bremsanordnung wenigstens zwei Bremskammern auf, wobei jeder von zwei möglichen Bremsrichtungen wenigstens eine der Bremskammern zugeordnet ist.
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Die jeweiligen Bremswände sind beispielsweise in einem Ringkörper um die Bremswelle gebildet. Dies ermöglicht beispielsweise eine einfache und stabile Konstruktion, welche sich mit geringem Aufwand herstellen lässt und einfach auf der Bremswelle montierbar ist. Der Ringkörper kann beispielsweise mit einem Gehäuseteil des Aktuatorsystems verbunden werden. Beispielsweise sind die jeweiligen Bremskammern regelmäßig um die Bremswelle herum angeordnet, etwa zueinander symmetrisch. Die Symmetrie ist beispielsweise eine Spiegelsymmetrie zu einer Achse, die senkrecht zur Rotationsachse steht. Beispielsweise verändert sich der radiale Abstand zur Rotationsachse entsprechend einer logarithmischen Spirale, insbesondere im Bremsbereich einer Bremskammer. Dies kann einen vorteilhaften Verlauf für die Zunahme der Bremswirkung haben.
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Durch die Klemmkraft zwischen dem jeweiligen Bremskörper und der zugehörigen Bremswand sowie der Bremswelle kann in Abhängigkeit der Positionierung der Bremskammern und/oder der Auswahl der Materialien der beteiligten Komponenten eine mechanische Belastung für die Bremswelle entstehen. Daher sieht das verbesserte Antriebskonzept für einige Ausführungsformen vor, dass die Bremsanordnung eine Stütze für die Bremswelle umfasst, die ein Verbiegen der Bremswelle beim Bremsen verhindert oder zumindest verringert. Beispielsweise können sich gegenüberliegende Bremskörper gegenseitig beim Bremsvorgang abstützen.
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In manchen Ausgestaltungen ist die Stütze durch eine Lagerungskomponente für die Bremswelle gebildet, welche zumindest abschnittsweise die Bremswelle nicht vollständig umschließt derart, dass die Lagerungskomponente einer Bremskammer bezüglich der Rotationsachse zumindest teilweise gegenüberliegt. Somit wird eine durch einen Bremskörper auf die Bremswelle wirkende Kraft durch die Lagerungskomponente abgestützt. Die Lagerungskomponente ist beispielsweise durch ein Gleitlager gebildet.
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In verschiedenen Ausführungsformen weist jeder Bremskörper eine rotationssymmetrische Rille oder Kerbe auf, und jede Bremswand weist eine Kante auf, die in die jeweilige Rille oder Kerbe des zugehörigen Bremskörpers eingreift. Dadurch kann beispielsweise eine Verschiebung des Bremskörpers in einer Richtung parallel zur Rotationsachse eingeschränkt werden, wobei gleichzeitig eine Rotation des Bremskörpers um eine zur Rotationsachse parallelen Achse möglich bleibt. Ein Herausfallen des Bremskörpers aus der Bremskammer wird somit verhindert.
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Der Elektromagnet kann in verschiedenen Ausführungsformen des Aktuatorsystems wenigstens ein Paar von magnetischen Polen aufweisen, die eine zur Rotationsachse parallele oder im Wesentlichen parallele Gerade bilden. Dadurch kann ein gleichmäßiges Magnetfeld im Bereich der Bremswelle erzeugt werden, welches den Bremskörper oder die Bremskörper zuverlässig in den Freilaufbereich bringen und dort halten kann.
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Beispielsweise weist der Elektromagnet eine Spule und einen Spulenkern auf, wobei außerhalb der Spule befindliche Teile des Spulenkerns Arme des Elektromagneten bilden, an deren Enden Pole des Elektromagneten gebildet sind. Dies ermöglicht einerseits einen kompakten Aufbau des Elektromagneten und andererseits eine gezielte Applikation des Magnetfelds im Bereich der Bremswelle und der Bremswände. Beispielsweise erstrecken sich die Arme auf beiden Seiten des Spulenkerns, wodurch sich die Pole unterschiedlicher Polarität bilden lassen. Die Pole des Elektromagneten sind beispielsweise in der Nähe der Bremswände oder der Bremswand angeordnet, insbesondere in der Nähe der Freilaufbereiche der jeweiligen Bremskammern.
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In verschiedenen Ausgestaltungsformen weist jede Bremswand ferner jeweils einen Rückstellmechanismus auf, der eingerichtet ist, den zugehörigen Bremskörper im nichtaktivierten Zustand des Elektromagneten in Kontakt mit der Bremswelle zu bringen. Durch den Rückstellmechanismus kann somit sichergestellt werden, dass der Bremskörper in reibschlüssigen Kontakt mit der Bremswelle gelangen kann, um so die entsprechende Bremswirkung zu entfalten.
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Der Rückstellmechanismus ist beispielsweise durch wenigstens eine schräge Ebene gebildet, die derart radial zur Bremswelle geneigt ist, dass eine Gravitationskraft auf den jeweiligen Bremskörper wirkt. Die Bremswand weist dementsprechend die schräge Ebene auf, entlang der das Bremselement eine Gravitationskraft erfahren kann, in dem es beispielsweise entlang der schrägen Ebene in Richtung der Bremswelle gleitet. Beispielsweise ist die schräge Ebene gebildet durch oder an der zuvor beschriebenen Kante in der Bremswand, welche in die Rille oder Kerbe des Bremskörpers eingreift. Der Bremskörper liegt also beispielsweise mit Teilen der Rille auf der schrägen Ebene der Kante auf und kann durch die Gravitationskraft in Richtung der Bremswelle gleiten.
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Der Rückstellmechanismus kann auch durch wenigstens ein Federelement gebildet sein, durch das der jeweilige Bremskörper zur Bremswelle hin vorgespannt wird. Beispielsweise durchdringt ein solches Federelement die Bremswand, zum Beispiel im Freilaufbereich, sodass durch die Federkraft der jeweilige Bremskörper aus dem Freilaufbereich herausgedrückt wird.
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Der Rückstellmechanismus ist dabei jeweils so bemessen, dass einerseits sichergestellt ist, dass der Bremskörper im nichtaktivierten Zustand des Elektromagneten eine Bremswirkung entfalten kann, im aktivierten Zustand des Elektromagneten aber sicher in der Freilaufposition gehalten wird.
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Das Aktuatorsystem kann beispielsweise als Linearaktuator ausgebildet sein, umfasst aber auch Anordnungen, bei denen Motor und Umsetzanordnung separat voneinander, insbesondere nicht in demselben Gehäuse angeordnet sind, wobei eine Übertragung der Drehbewegung der Motorwelle auf die Umsetzanordnung auf verschiedenste Weisen geschehen kann.
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Das Aktuatorsystem kann ferner auch eine Aktuatorsteuerung umfassen. Dabei ist die Bremsanordnung beispielsweise zur Einnahme eines Freilaufzustands und wenigstens eines Bremszustands eingerichtet. In dem Freilaufzustand befindet sich jeder Bremskörper in der jeweiligen Freilaufposition. In dem wenigstens einen Bremszustand hat mindestens ein Bremskörper einen reibschlüssigen Kontakt mit der Bremswelle.
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Die Aktuatorsteuerung ist beispielsweise eingerichtet, den Elektromagneten zu aktivieren und den Motor zu einer Drehbewegung der Bremswelle anzusteuern, um eine Änderung der Elongation des Aktuatorsystems zu ermöglichen, wenn sich die Bremsanordnung in dem wenigstens einen Bremszustand befindet.
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Um die Änderung der Elongation des Aktuatorsystems zu ermöglichen, ist es somit zunächst notwendig, den oder die Bremskörper in die Freilaufposition zu bringen, sodass der Freilaufzustand eingenommen werden kann. Nur in diesem Freilaufzustand ist eine ungehinderte Drehbewegung des Systems rotierender Wellen möglich, was die Grundlage für eine Änderung der Elongation ist. In dem wenigstens einen Bremszustand kann es sein, dass der Bremskörper bereits derart zwischen Bremswand und Bremswelle verklemmt ist, dass die elektromagnetische Kraft alleine nicht ausreicht, den Bremskörper in die Freilaufposition zu bringen. Dementsprechend wird zunächst eine Bewegung der Bremswelle initiiert, insbesondere entgegen der momentanen Bremsrichtung, sodass eine Verklemmung des Bremskörpers zwischen Bremswand und Bremswelle zumindest teilweise gelöst wird und der Bremskörper ungehindert in die Freilaufposition gebracht werden kann. Die initiale Drehbewegung, insbesondere deren Richtung, kann somit unabhängig von einer gewünschten Drehrichtung im nachfolgenden Freilaufzustand sein, in dem die Elongation durch weitere Ansteuerung des Motors verändert wird.
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In verschiedenen Ausgestaltungen ist die Aktuatorsteuerung ferner eingerichtet, den Elektromagneten mit einer ersten Intensität zu aktivieren, um die Bremsanordnung aus dem wenigstens einen Bremszustand in den Freilaufzustand zu bringen, und den Elektromagneten mit einer zweiten Intensität zu aktivieren, um die Bremsanordnung in dem Freilaufzustand zu halten, wobei die erste Intensität größer ist als die zweite Intensität. Die höhere erste Intensität ermöglicht dabei insbesondere, dass selbst bei ungünstiger Position des Bremskörpers in der Bremskammer dieser in die Freilaufposition gebracht werden kann. Die niedrigere zweite Intensität ist so gewählt, dass diese lediglich ausreichend ist, um die Freilaufposition zu halten. Dadurch kann im Betrieb des Aktuatorsystems Energie gespart werden.
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Ein Übergang der Bremsanordnung aus dem Freilaufzustand in den wenigstens einen Bremszustand ist beispielsweise bewirkbar durch Ansteuerung des Motors zu einer Drehbewegung der Bremswelle und/oder durch Krafteinwirkung auf die Umsetzanordnung entlang einer Richtung der Elongation, während jeweils der Elektromagnet deaktiviert ist. Der Bremszustand kann somit sozusagen sowohl aktiv als auch passiv erreicht werden. Anders ausgedrückt kann der wenigstens eine Bremszustand aktiv gesteuert eingenommen werden oder aber durch mechanische Belastung von außen. Beispielsweise würde bei einem Ausfall der Spannungsversorgung bei einem elektrisch höhenverstellbaren Tisch die auf die Tischplatte wirkende Kraft dazu führen, dass das Aktuatorsystem in den Bremszustand gelangt, da der oder die Bremskörper nicht mehr durch den Elektromagneten in der Freilaufposition gehalten werden. Damit wird eine inhärente Absicherung gegen unerwünschtes Absinken des höhenverstellbaren Tisches erreicht.
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Die Aktuatorsteuerung kann eingerichtet sein, den Elektromagneten mit einer pulsweitenmodulierten, PWM, Spannung zu aktivieren. Dies ermöglicht beispielsweise den Einsatz bekannter Steuerungskomponenten, die zu pulsweitenmodulierten Ansteuerung von Gleichstrom und/oder Wechselstrommotoren verwendet wird. Beispielsweise kann zur Ansteuerung des Elektromagneten ein freier Kanal eines mehrkanaligen PWM-Controllers genutzt werden, dessen übrige Kanäle zur Ansteuerung des Elektromotors beziehungsweise der Elektromotoren verwendet wird. Durch die PWM-Steuerung der Spannung kann auch die Intensität des Magnetfelds gesteuert werden.
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Ein Aktuatorsystem der beschriebenen Art gemäß verbessertem Antriebskonzept kann mechanisch für eine geringe Selbsthemmung dimensioniert werden, welche zum Tragen kommt, wenn der Elektromagnet aktiviert ist und dadurch der oder die Bremskörper keine Bremswirkung entfalten. Die Selbsthemmung des Aktuatorsystems erhöht sich aber automatisch bei deaktiviertem Elektromagneten durch die sich steigernde Bremswirkung des jeweiligen Bremskörpers. Somit kann das Aktuatorsystem bei aktiviertem Elektromagneten mit geringerem energetischem Aufwand betrieben werden als ein herkömmlicher Aktuator mit höherer Selbsthemmung. Beispielsweise ist der zusätzliche Energieaufwand durch Aktivierung des Elektromagneten geringer als der Energiebedarf durch die größere Selbsthemmung bei einem herkömmlichen Aktuator.
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In verschiedenen Ausgestaltungen ist die Aktuatorsteuerung am Aktuatorsystem befestigt oder bildet eine integrierte Einheit mit einem Teil des Linearaktuators, zum Beispiel dem Motor. Alternativ kann die Aktuatorsteuerung auch separat von den übrigen Komponenten des Aktuatorsystems angeordnet sein, etwa in einem Bedienteil.
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Gemäß dem verbesserten Antriebskonzept wird auch ein Möbelstück mit wenigstens einer verstellbaren Komponente und mit einem Aktuatorsystem gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen zur Verstellung der Komponente vorgeschlagen. Solche Möbelstücke sind zum Beispiel Tische, Betten oder verstellbare Sitz- und Liegemöbel.
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Das verbesserte Antriebskonzept betrifft auch ein Verfahren zum Ansteuern eines Aktuatorsystems gemäß einem der beschriebenen Ausführungsformen. Dabei ist die Bremsanordnung zur Einnahme eines Freilaufzustands und wenigstens eines Bremszustands eingerichtet, wobei in dem Freilaufzustand sich jeder Bremskörper in der jeweiligen Freilaufposition befindet, und in dem wenigstens einen Bremszustand mindestens ein Bremskörper einen reibschlüssigen Kontakt mit der Bremswelle hat. Das Verfahren umfasst, um eine Änderung der Elongation des Aktuatorsystems zu ermöglichen, wenn sich die Bremsanordnung in dem wenigstens einen Bremszustand befindet, die Aktivierung des Elektromagneten und die Ansteuerung des Motors zu einer Drehbewegung der Bremswelle.
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Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich unmittelbar aus den verschiedenen Ausführungen, die im Zusammenhang mit der Beschreibung des Aktuatorsystems und insbesondere der Aktuatorsteuerung ausgeführt sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail erläutert. Komponenten, die funktionell identisch sind oder einen identischen Effekt haben, können mit identischen Bezugszeichen versehen sein. Identische Komponenten oder Komponenten mit identischer Funktion sind unter Umständen nur bezüglich der Figur erklärt, in der sie zuerst erscheinen. Die Erklärung wird nicht notwendigerweise in den darauffolgenden Figuren wiederholt.
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Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines elektrisch verstellbaren Möbelstücks;
- 2 eine schematische Darstellung eines Linearaktuators;
- 3 ein Ausführungsbeispiel einer Bremsanordnung für eine bidirektionale Bremswirkung;
- 4A, 4B, 4C, 5A, 5B und 5C verschiedene beispielhafte Zustände einer Bremsanordnung;
- 6 Details einer beispielhaften Bremskammer;
- 7 Details einer beispielhaften federbasierten Rückstellvorrichtung;
- 8A und 8B verschiedene Ansichten einer beispielhaften Bremsanordnung mit einem Elektromagneten;
- 9 Details eines beispielhaften Linearaktuators mit Bremsanordnung;
- 10 Details einer beispielhaften Endkappe mit Bremsanordnung; und
- 11 eine beispielhafte Ausführungsform eines Linearaktuators mit einer Bremsanordnung.
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1 zeigt einen schematischen Aufbau eines elektrisch verstellbaren Möbelstücks, das vorliegend als höhenverstellbarer Tisch ausgebildet ist. Der Tisch weist eine Tischplatte 1 auf, welcher über ein Aktuatorsystem, hier ein Linearaktuator, der durch eine Motoranordnung 100 und eine Umsetzanordnung, z.B. ein Spindel-Mutter-System 200, gebildet ist, in der Höhe verstellt werden kann. Die Umsetzanordnung ist eingerichtet, eine durch die Motoranordnung 100 erzeugte Drehbewegung in eine lineare Auslenkung bzw. Längenänderung bzw. Elongation des Linearaktuators umzusetzen. Der Linearaktuator ist in einer Teleskopsäule 300 angeordnet. Die Motoranordnung 100 ist mit einem Bedienteil 400 verbunden, über das ein Benutzer beispielsweise Fahrbefehle für den Tisch eingeben kann, um eine Höhenverstellung zu bewirken.
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2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Linearaktuators, der aus einer Motoranordnung 100 und einem Spindel-Mutter-System 200 als Beispiel für eine Umsetzanordnung gebildet ist. Die Motoranordnung 100 weist eine rotierende Achse auf, beispielsweise eine Motorwelle, die mechanisch mit dem Spindel-Mutter-System 200 gekoppelt ist, welches die rotierende Bewegung in eine Elongation bzw. lineare Auslenkung des Linearaktuators umsetzt. Anstelle des Spindel-Mutter-Systems 200 kann auch eine andere Art von Umsetzanordnung genutzt werden, die mit der Motorwelle gekoppelt ist und eingerichtet ist, eine durch die Motorwelle erzeugte Drehbewegung in eine Elongation des Linearaktuators umzusetzen, beispielsweise basierend auf Seilzügen. Die Elongation des Linearaktuators, also dessen Aktuatorwirkung, erfolgt beispielsweise in Längsrichtung der Motorwelle.
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Eine Motorsteuerung oder Aktuatorsteuerung kann in verschiedenen Ausgestaltungen im Bedienteil 400 oder separat vom Bedienteil in einem eigenen Gehäuse oder am bzw. im Linearaktuator 100 integriert sein.
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Wie erwähnt werden beispielsweise Spindel-Muttersysteme zur Umwandlung von Drehbewegungen in Linearbewegungen in einem Linearaktuator verwendet. Wenn jedoch eine Last axial auf die Mutter des Spindel-Muttersystems aufgebracht wird, und die Last groß genug ist, um die vorhandene Reibung zu überwinden, passiert das Gegenteil und die Linearbewegung wird in eine Drehbewegung umgewandelt. Dies ist üblicherweise ein unerwünschter Effekt. Obwohl ein solcher Effekt unabhängig von der Ausrichtung der Spindel auftreten kann, tritt ein Rückwärtstrieb am häufigsten in vertikalen Anwendungen auf, wenn eine Last gestoppt wird und ein externer Haltemechanismus wie eine Bremse oder ein Gegengewicht ausfällt.
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Beispielsweise tritt bei herkömmlichen Linearaktuatoren und Aktuatorsystemen ein solcher Effekt zum Beispiel bei Tischmöbeln mit vertikal verstellbaren Tischplatten auf, wo die Last der Tischplatte über eine Mechanik auf den Antrieb übertragen wird. Unter Umständen kann ein solcher Effekt auch auftreten bei einem Transport des Tisches, wenn man den Tisch an der Tischplatte anhebt. Die Kräfte, die den Rückwärtstrieb beziehungsweise ein Rutschen nach unten auslösen können, sind beispielsweise durch die beweglichen Teile des Tischgestells bestimmt, etwa durch Gewicht und/oder Massenträgheit dieser Teile.
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Es hat sich herausgestellt, dass der Wirkungsgrad eines Linearaktuators der Hauptindikator dafür ist, ob eine Spindel den Rückwärtstrieb übernimmt oder nicht beziehungsweise ins Rutschen kommt oder nicht. Je höher der Wirkungsgrad ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass die Spindel beziehungsweise der Linearaktuator ins Rutschen kommt, wenn eine Axialkraft aufgebracht wird, also eine Kraft entlang der Richtung der Längenänderung.
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Der Wirkungsgrad des Linearaktuators mit einem SpindelMuttersystem wird insbesondere bestimmt durch den Steigungswinkel der Spindel und die Reibung in dem SpindelMuttersystem. Je größer der Steigungswinkel ist, desto höher ist der Wirkungsgrad der Spindel. Dies heißt, dass Spindel mit höherer Steigung, zum Beispiel 20 mm pro Umdrehung anstelle von 5 mm pro Umdrehung einen höheren Wirkungsgrad haben und daher eher zum Rutschen neigen. Neben dem Steigungswinkel beeinflussen zum Beispiel auch Schmierung oder eine Geometrie der Verzahnung den Wirkungsgrad, da diese die Reibung beeinflussen.
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In verschiedenen Ausgestaltungen kann ein Motor des Linearaktuators die Umsetzanordnung direkt antreiben oder mittels eines zwischengeschalteten Drehzahlreduziergetriebes. Ein solches Drehzahlreduziergetriebe kann auch in dem Motor integriert sein, wobei man in diesem Fall von einem Getriebemotor sprechen kann. Ein solcher Linearaktuator ist selbsthemmend, wenn die gesamte Kette bestehend aus Motor, optionalem Getriebe und Umsetzanordnung selbsthemmend ist, also wenn zum Beispiel nur die Spindel eines Spindel-Muttersystems allein selbsthemmend ist, zum Beispiel aufgrund der Reibung oder des Steigungswinkels der Schmierung usw., oder wenn die Spindel in Kombination mit dem Drehzahlreduziergetriebe und/oder dem Motor selbsthemmend ist. Beim Motor können zum Beispiel Reibung durch Kohlebürsten, Lager oder magnetische Rastmomente die Selbsthemmung beeinflussen.
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Eine hohe Selbsthemmung verringert den Gesamtwirkungsgrad des Linearaktuators, was einen größeren und teureren Motor erfordert.
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Gemäß dem verbesserten Antriebskonzept wird vorgeschlagen, das Aktuatorsystem mit einer Bremsanordnung auszustatten.
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Als Grundprinzip wird einer solchen Bremsanordnung ein Reibschlussprinzip zugrunde gelegt, welches selektiv aktivierbar und deaktivierbar ist und beispielsweise selbsttätig eine Erhöhung der Selbsthemmung des Aktuatorsystems ermöglicht.
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3 zeigt eine mögliche Ausgestaltung einer solchen Bremsanordnung zur Verwendung in einem Aktuatorsystem. Bei dem Aktuatorsystem wird davon ausgegangen, dass dieses einen Motor mit einem System rotierender Wellen umfasst, die durch den Motor abhängig voneinander angetrieben werden. Das System rotierender Wellen ist beispielsweise gebildet durch eine Motorwelle, auf der beispielsweise ein Rotor starr befestigt ist sowie eine Getriebewelle eines optionalen Drehzahlreduziergetriebes sowie einer Spindelwelle als Teil einer Umsetzanordnung, die eingerichtet ist, eine durch den Motor erzeugte Drehbewegung der Spindelwelle in eine Elongation des Aktuatorsystems umzusetzen. Bei einem Direktantrieb ohne Drehzahlreduziergetriebe kann die Getriebewelle auch wegfallen. Grundsätzlich kann das System rotierender Wellen auch lediglich durch eine einzige Welle gebildet sein, welche gleichzeitig als Motorwelle und als Spindelwelle der Umsetzanordnung dient.
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Die Bremsanordnung 500 umfasst, beziehungsweise nutzt, eine der rotierenden Welle als eine Bremswelle 110, und umfasst ferner einen Elektromagneten 560 und wenigstens eine Bremskammer, die zwischen der Bremswelle 110 und einer zugehörigen Bremswand 510, 520 mit einer im Wesentlichen zu einer Rotationsachse der Bremswelle parallelen Wandfläche gebildet ist. Die Rotationsachse verläuft in der Darstellung senkrecht in das Bild hinein. In der Darstellung der 3 sind zwei Bremskammern gebildet durch die Bremswände 510 und 520. Für jede Bremskammer umfasst die Bremsanordnung 500 einen magnetoaktiven Bremskörper 512, 522, der in der jeweiligen Bremskammer angeordnet ist. Die Bremskörper sind beispielsweise walzenförmig oder zylinderförmig und hier lediglich in der Schnittdarstellung dargestellt.
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Die Bremsanordnung umfasst im vorliegenden Beispiel ferner eine Stütze für die Bremswelle 110, welche durch eine Lagerungskomponente 570 gebildet ist. Die Lagerungskomponente 570 umschließt die Bremswelle 110 zumindest abschnittsweise nicht vollständig. Dadurch liegt die Lagerungskomponente 570 den beiden Bremskammern zumindest teilweise gegenüber. Die Bremswände 510, 520 sind in einem Ringkörper 550 um die Bremswelle 110 gebildet und beispielsweise starr mit einem Gehäuse gekoppelt, sodass sich die Bremsanordnung 500 nicht mit der Bremswelle 110 dreht.
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Der Elektromagnet 560 umfasst eine Spule 562 sowie einen Spulenkern, der durch die Spule 562 hindurchgeht und beidseitig als Arme 564 nach außen tritt. An den Enden der Arme 564 sind jeweils Pole 566 des Elektromagneten gebildet, von denen aufgrund der Schnittdarstellung nur einer sichtbar ist. Der Elektromagnet 560 ist eingerichtet, in einem aktivierten Zustand jeden Bremskörper 512, 522 in den zugehörigen Freilaufbereich zu bringen.
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Jede Bremskammer weist einen Freilaufbereich auf, der zur Aufnahme des jeweiligen Bremskörpers 512, 522 derart eingerichtet ist, dass der Bremskörper keinen reibschlüssigen Kontakt mit der Bremswelle 110 hat. In der vorliegenden Darstellung befinden sich die Bremskörper 512, 522 in diesem jeweiligen Freilaufbereich.
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Ferner weist jede Bremskammer einen Bremsbereich auf, in dem ein radialer Abstand zwischen der Bremswand 510, 520 und der Rotationsachse 110 entlang der Bremswand ausgehend vom Freilaufbereich abnimmt, beispielsweise kontinuierlich abnimmt. Dies wird im Detail weiter unten in Verbindung mit den 4A bis 4C genauer erläutert.
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Jeder Bremskörper 512, 522 ist derart beweglich in der jeweiligen Bremskammer angeordnet, dass sich abhängig von einer Position in der Bremskammer ein reibschlüssiger Kontakt zwischen dem Bremskörper 512, 522 und der Bremswelle sowie zwischen dem Bremskörper 512, 522 und der entsprechenden Bremswand 510, 520 bilden lässt.
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Charakteristisch für die Bremsanordnung ist die Form der Bremskammern und insbesondere der Bremswände 510, 520, welche die Bremskammern nach außen hin begrenzen. Im Betrieb der Bremsanordnung 500 können sich die Bremselemente 512, 522 jeweils an die zugehörigen Bremswände anschmiegen beziehungsweise sich entlang dieser Bremswände bewegen. In dem Beispiel aus 3 sind beispielhaft zwei Bremskammern mit jeweiligen Bremswänden und je einem Bremselement gezeigt, die zueinander symmetrisch sind. Grundsätzlich kann die Bremsanordnung 500 aber auch lediglich mit einer einzigen Bremskammer ausgestattet sein, die bei einer Implementierung gemäß 3 eine Bremswirkung nur in einer Richtung entfalten würde. Andere Implementierungen sind dabei nicht ausgeschlossen, beispielsweise auch eine höhere Zahl als zwei Bremskammern, wobei auf eine Darstellung aus Übersichtsgründen verzichtet ist.
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Ein möglicher Verlauf einer Bremswand 510 ist beispielhaft im Zusammenhang mit den 4A, 4B und 4C dargestellt, die sich lediglich in der dargestellten Position des Bremskörpers 512 unterscheiden.
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In der Darstellung der 4A befindet sich der Bremskörper 512 in einer Freilaufposition, bei der der Bremskörper keinen reibschlüssigen Kontakt mit der Bremswelle 110 hat. Dieser Bereich der Bremskammer kann auch als Freilaufbereich bezeichnet werden. Der radiale Abstand zwischen der Rotationsachse der Bremswelle 110 und der Bremswand 510, also der äußeren Kontur in der Darstellung, ist größer als der Radius des rollen- oder zylinderförmigen Bremskörpers 512. Der radiale Abstand nimmt ausgehend von diesem Freilaufbereich, in der Darstellung nach unten gehend, ab und verjüngt sich sozusagen entlang der Bremswand 510.
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Dies ist beispielsweise in 4B ersichtlich, wo der radiale Abstand so verringert ist, dass der Bremskörper 512 beginnt in Kontakt sowohl mit der Bremswand 510 als auch der Bremswelle 110 zu treten. Dieser verjüngende Bereich entspricht einem Bremsbereich, da durch die erzeugte Klemmkraft und die dadurch bewirkte erhöhte Rollreibung eine Bremswirkung eintritt.
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Während des Bremsvorgangs kann es zu einer elastischen Verformung des Bremskörpers 512 und/oder der Bremswelle 110 kommen, da der radiale Abstand weiter abnimmt. Um eine übermäßige Verklemmung und damit eine insbesondere plastische Verformung des Bremskörpers 512 und/oder der Bremswelle 110 zu verhindern, weist die Bremswand in diesem Beispiel auch einen Begrenzungsbereich auf, der insbesondere in 4C erkennbar ist. In diesem Begrenzungsbereich verändert sich der Verlauf der Bremswand 510 so, dass ein weiteres Verklemmen des Bremskörpers 512 verhindert wird, in der Darstellung der 4C entsprechend einer weiteren Bewegung nach unten. Auch in diesem Begrenzungsbereich tritt eine Bremswirkung auf, wobei diese an dieser Stelle beispielsweise ihren Maximalwert erreicht.
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Insbesondere im Bremsbereich nimmt der radiale Abstand ab, insbesondere kontinuierlich oder streng monoton. Ein solcher Verlauf ist beispielsweise durch eine logarithmische Spirale LS gegeben, die zur Verdeutlichung der Kontur der Bremswand 510 mit dargestellt ist.
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Zusammengefasst dient der Freilaufbereich der Aufnahme des Bremselements, wenn das Bremselement vom Magnetfeld des Elektromagneten gehalten wird. In diesem Freilaufbereich hat das Bremselement 512 keinen Kontakt zur Bremswelle 110, oder zumindest keinen reibschlüssigen Kontakt. Der Bremsbereich ist beispielsweise so geformt, dass die Distanz zur Welle über die Länge des Bremsbereichs unterschiedlich ist. An allen Positionen innerhalb des Bremsbereichs hat das Bremselement 512 Kontakt zur Bremswelle 110, wobei der Anpressdruck über die Länge zunimmt, weil die Distanz laufend abnimmt. In dem optionalen Begrenzungsbereich limitiert der Begrenzer den Weg des Bremselements 512. Dadurch entsteht eine Maximalüberdeckung zwischen der Bremswelle 110 und dem Bremselement 512, welche zu einer definierten maximalen Anpresskraft und dadurch einem definierten maximalen Haltemoment führt. Durch den Begrenzer kann sichergestellt werden, dass auch bei hohen dynamischen Belastungen über dem maximalen Haltemoment ein Drehen der Bremswelle 110 grundsätzlich möglich ist, ohne dass dabei das Bremselement 512 oder die Welle 110 unnötig abgenutzt oder beschädigt werden. Dadurch wird die Verwendung der Bremsanordnung 500 als Überlastbremse möglich.
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Neben der unterschiedlichen Distanz zur Bremswelle 110 kann die Bremswand 510 auch noch ein weiteres optionales Merkmal aufweisen, um eine Führung des Bremskörpers 512 zu ermöglichen oder zu verbessern. Beispielsweise ist eine solche Führung gegeben durch eine Kante, die aus der Bremswand herausragt und in eine Rille des Bremskörpers 512 eingreift. Beispielsweise ist eine solche Rille rotationssymmetrisch in einer Außenwand, insbesondere Mantelfläche des Bremskörpers, gebildet. Die Kante ist beispielsweise in den 4A bis 4C als nach innen von der Bremswand 510 ausgehend und mit dem Bremskörper 512 teilweise überlappend dargestellt. Die Implementierung wird weiter unten in Verbindung mit 6 genauer erläutert.
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In den 5A, 5B und 5C soll das Prinzip der Bremswirkung der Bremsanordnung 500 genauer erläutert werden. Wie bereits ausgeführt, entsteht die Bremswirkung der Bremsanordnung 500 grundsätzlich durch die Reibung zwischen Bremselement, Bremswand und Bremswelle. In der Darstellung der 5A befinden sich beide Bremskörper 512, 522 in ihrer jeweiligen Freilaufposition, weshalb sich die Bremsanordnung 500 dementsprechend in einem Freilaufzustand befindet. In diesem Freilaufzustand ist insbesondere der Elektromagnet, der symbolisch über dessen Pole 566 dargestellt ist, aktiviert, um die Bremskörper 512, 522 sicher in dieser Position zu halten.
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Die Bremsanordnung 500 kann neben dem Freilaufzustand auch wenigstens einen Bremszustand einnehmen. In dem wenigstens einen Bremszustand hat mindestens ein Bremskörper einen reibschlüssigen Kontakt mit der Bremswelle. Dies ist beispielsweise in den 5B und 5C dargestellt, jeweils für unterschiedliche Drehrichtungen der Bremswelle 110. In diesen Bremszuständen ist der Elektromagnet deaktiviert und die Bremskörper werden nicht gezielt in ihrer jeweiligen Freilaufposition gehalten.
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Unter der beispielhaften Annahme, dass die Bremswelle 110 wie in der Darstellung horizontal verläuft, können grundsätzlich beide Bremselemente 512, 522 in ihrer jeweiligen Bremskammer sozusagen nach unten fallen, um in einen reibschlüssigen Kontakt mit der Bremswelle 110 zu gelangen.
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Mit Verweis auf 5B wird eine Drehung der Bremswelle 110 entgegen dem Uhrzeigersinn angenommen. Dies führt dazu, dass der erste Bremskörper 512 durch den reibschlüssigen Kontakt im Uhrzeigersinn mitrotiert und seine Bremswirkung entfaltet. Gleichzeitig wird durch die Drehbewegung eine laterale Bewegung des ersten Bremskörpers in Richtung der Verjüngung bewirkt, welche die Bremswirkung weiter verstärkt. Der zweite Bremskörper 522 entfaltet keine oder allenfalls eine zu vernachlässigende Bremswirkung, da durch den Reibkontakt mit der Bremswelle 110 nur eine Bewegung des zweiten Bremskörpers 522 in Richtung des Freilaufbereichs in der zweiten Bremskammer bewirkt wird.
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5C entspricht im Wesentlichen dem Prinzip der 5B, bei vertauschter Drehrichtung der Bremswelle 110. Somit wird die Bremswirkung hier durch den zweiten Bremskörper 522 bewirkt, während der erste Bremskörper 512 im Wesentlichen unbeteiligt ist.
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Sobald einer der Bremskörper den optionalen Begrenzungsbereich erreicht, bleibt die jeweilige Bremswirkung unabhängig von der Höhe der Abtriebskraft auf einem definierten maximalen Niveau. Der jeweilige Bremskörper befindet sich dabei im Reibschluss mit der Bremswelle 110 und hat maximalen Kontakt. Bei hohen dynamischen Belastungen, zum Beispiel weil beim Abstoppen einer schweren Tischplatte aufgrund Trägheit der Tischplatte noch größere Drehmomente auftreten, kann die Bremsanordnung 500 als Überlastbremse wirken. Anders ausgedrückt erlaubt die vorliegende Bremsanordnung im Gegensatz zu einer Blockierung nach einem Formschlussprinzip immer noch eine Drehung der Bremswelle 110. Dadurch kann Energie aus dem Drehmoment in Reibung umgesetzt und somit nach einigen Umdrehungen vernichtet werden. Eine Drehbewegung der Bremswelle endet somit beispielsweise nicht abrupt wie bei einer Blockierung, sondern weicher, beispielsweise als sogenannter Softstopp.
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Wie bereits angesprochen, können die Bremskörper zylinderförmig geformt sein, beispielsweise als Rollen oder Walzen. Die Verwendung von zylinderförmigen Bremskörpern verteilt den Anpressdruck über eine größere Fläche der Welle, was zu einer geringeren punktuellen Materialbelastung und einer höheren Lebensdauer der beteiligten Komponenten führt. Um die Zuverlässigkeit der Anordnung zu erhöhen, kann sichergestellt werden, dass die Bremskörper nach Abschalten des Magnetfelds zwischen Bremswand und Bremswelle eingeklemmt werden. Dementsprechend kann gewährleistet werden, dass sie ihre jeweilige Freilaufposition im Freilaufbereich der Bremskammern verlassen, damit sie in Kontakt mit der drehenden Bremswelle kommen und von dieser mitgenommen und geklemmt werden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, damit die Bremskörper die jeweilige Freilaufposition in der Nähe des Elektromagneten zuverlässig verlassen und damit in Kontakt mit der drehenden Bremswelle kommen. Beispielsweise kann dazu die Gravitationskraft genutzt werden, die auf den oder die Bremskörper wirkt.
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Beispielsweise könnte man dem Ringkörper 550 einen Boden geben, der in Richtung der Bremswelle 110 geneigt ist. Dadurch würde der Bremskörper durch die Gravitationskraft in Richtung der Bremswelle 110 gezogen werden.
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6 zeigt eine weitere Möglichkeit, die eine auf den Bremskörper 512 wirkende Gravitationskraft ausnutzt. Dargestellt ist dabei eine Schnittansicht durch die Bremswelle 110, den Bremskörper 512 und die Bremswand 510 sowie die Lagerungskomponente 570. Die Bremswand 510 weist dabei eine Kante auf, die in eine Rille RI, welche sich rotationsförmig um den Bremskörper 512 erstreckt, eingreift. Je nach Position innerhalb der Bremskammer ist der Abstand zwischen Bremswand 510 und Bremswelle 110 unterschiedlich groß, sodass insbesondere im Freilaufbereich der Bremskammer der Bremskörper 512 entlang einer schiefen Ebene in Richtung der Bremswelle 110 gleiten kann. Die schiefe Ebene ist dabei durch die Oberseite der Kante in der Bremswand 510 gebildet und weist in diesem Beispiel einen Winkel α zur Horizontalen auf. Die Rille RI ist beispielsweise in der oberen Hälfte des Bremskörpers 512 angebracht, sodass sich der Bremskörper über die Schwerkraft immer senkrecht ausrichtet. Dadurch lässt sich ein Verkanten des Bremskörpers innerhalb der Bremskammer verhindern.
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Wie erwähnt, ist die Form der Kante beispielsweise keilförmig, wobei der Winkel dieses Keils den Winkel α der schiefen Ebene entspricht. Solange der Bremskörper noch nicht in Kontakt mit der Bremswelle steht, besteht die Möglichkeit, dass der Bremskörper auf dieser schiefen Ebene in Richtung der Bremswelle gleitet. Sobald aber ein Kontakt mit der Bremswelle auftritt, nimmt die Drehbewegung der Bremswelle den Bremskörper mit und klemmt ihn. Dabei wird dann der Bremskörper wieder ein Stück auf die Kante hinaufgeschoben. Die Kombination aus Kante und Rille dient unter anderem dem Verhindern des Verklemmens durch das Aufhängen des Bremskörpers an der Kante, sowie zusätzlich dem Realisieren der schiefen Ebene.
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Aus der Darstellung der 6 ist nebenbei zu erkennen, dass die Lagerungskomponente 570 einen Bereich aufweist, der die Bremswelle 110 nicht vollständig umschließt, nämlich in dem Bereich, in dem die Lagerungskomponente 570 dem Bremskörper 512 gegenüberliegt, sowie einen weiteren Bereich, in dem ein vollständiger Umschluss der Bremswelle 110 möglich ist, nämlich oberhalb des Bremskörpers 512.
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Eine weitere Möglichkeit, einen Rückstellmechanismus für den oder die Bremskörper zu realisieren, besteht in der Nutzung einer Federkraft. Dies ist beispielsweise in 7 dargestellt. Beispielsweise weisen die Bremswände 510, 520 entsprechende Federelemente 514, 524 auf, welche die jeweiligen Bremskörper zur Bremswelle 110 hin vorspannen. Solange das Magnetfeld des Elektromagneten 560 eingeschaltet ist, überwindet die daraus resultierende magnetische Kraft auf die Bremskörper die Federkraft und hält die Bremskörper in der Freilaufposition fest. Sobald das Magnetfeld abgeschaltet ist, drückt die Federkraft der Federelemente 514, 524 die Bremskörper 512, 522 derart in die Bremskammer, dass ein Kontakt mit der Bremswelle 110 entsteht.
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Bei der Nutzung der Gravitationskraft kann es notwendig sein, die Orientierung der Bremswelle 110 beziehungsweise der Bremskammern im Betrieb des Aktuatorsystems so zu wählen, dass eine entsprechende Bewegung der Bremskörper durch die Gravitationskraft möglich ist. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Vorgaben für die Einbaurichtung erreicht werden, was sich durch Markierungen am Gehäuse unterstützen lässt. Bei einem senkrechten Einbau der Bremswelle 110 und einer beispielhaften Anordnung gemäß 6 ist der Rückstellmechanismus inhärent gegeben.
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Die beschriebenen Rückstellmechanismen über Gravitationskraft und Federkraft lassen sich kombinieren.
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Bei elektrisch verstellbaren Möbeln muss bzw. sollte sichergestellt sein, dass sich nach Ende der Bewegung des Verstellmechanismus, insbesondere des Aktuators, die erreichte Position nicht verändert. Weder darf die Bewegung des verstellten Möbelteils nach Abschalten des Motors aufgrund der Trägheit dieses Möbelteils weitergehen, noch darf das Möbelteil danach seine Position selbstständig verändern, z.B. zu rutschen beginnen. Der Aktuator sollte sofort oder nach kurzer Zeit stehenbleiben, auch wenn an der Abtriebsseite noch ein Drehmoment wirkt.
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Typischerweise erreicht man das durch hohe Übersetzungen und Trägheitsmomente oder kleine Wirkungsgrade, z.B. verbunden mit hoher Selbsthemmung.
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Vorteilhaft wäre ein Linearaktuator, der im Betrieb keine oder nur eine sehr kleine Selbsthemmung hat, um wenig Leistung zu benötigen und im Stillstand eine ausreichend große Selbsthemmung besitzt.
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Kombiniert man nun einen an sich herkömmlichen Aktuator mit der beschriebenen Bremsanordnung gemäß dem verbesserten Antriebskonzept, bei der die Bremse z.B. auf die Motorwelle wirkt, dann erhält man einen solchen idealen Aktuator.
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Wenn der Linearaktuator eine Verstellung eines Möbelteils bewirkt (Betriebsfall), dann wird das Magnetfeld aktiviert und der Linearaktuator agiert mit minimaler Selbsthemmung und wenig zusätzlicher Leistung für das Magnetfeld.
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Wenn der Linearaktuator keine Verstellung eines Möbelteils bewirkt (Stillstand), oder ein Spannungsausfall während der Verstellung auftritt, dann ist das Magnetfeld deaktiviert und der Linearaktuator agiert mit maximaler Selbsthemmung, wobei die Selbsthemmung automatisch stärker wird, je höher die abtriebsseitige Kraft ist. Die Selbsthemmung ist gegebenenfalls begrenzt durch einen Begrenzer in der Bremswand.
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Die Steuerung erfolgt z.B. durch eine Aktuatorsteuerung, etwa mit einem Prozessor auf einer Platine im Aktuator oder auch durch eine separate Aktuatorsteuerung in einer vom Aktuator getrennten Einheit, etwa im Bedienteil 400.
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In den 8A und 8B sind verschiedene Ansichten der Bremsanordnung 500 mit dem Elektromagneten 560 dargestellt, wobei 8A eine Schnittdarstellung durch die Bremswelle 110 und den Elektromagneten 560 und 8B eine perspektivische Darstellung der Anordnung zeigt.
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Der rechte Teil der 8A entspricht dabei im Wesentlichen der Darstellung der 6, wobei der Ausschnitt der Bremswand 510 dem Freilaufbereich entspricht, insbesondere an der Stelle, an der der beziehungsweise die Bremskörper 512, 522 dem Elektromagneten 560 am nächsten sind. Die Bremswand 510 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Teil des Ringkörpers 550 gebildet, der mit Verweis auf 8B im Mittelbereich eine Einkerbung aufweist, in dem die Pole 566 des Elektromagneten eingreifen. Die Pole 566 bilden dabei die Enden der Arme 564 des Spulenkerns, welche in der 8B deutlicher erkennbar sind. Die Pole 566 bilden eine zur Rotationsachse parallele oder im Wesentlichen parallele Gerade. Insbesondere aus der Schnittdarstellung in 8A ist zu erkennen, dass der Spulenkern von der Spule 562 umschlossen ist.
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Wie bereits erläutert, dient der Elektromagnet 560 dazu, den oder die Bremskörper 512, 522 in die Freilaufposition zu bringen, bei der sie jeweils keinen Kontakt zur Bremswelle 110 haben, und sie dort zu halten. Der oder die Bremskörper sind dementsprechend so ausgeführt, dass sie von einem Magnetfeld angezogen werden können, das heißt sie sind magnetoaktiv. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Auswahl eines Materials erreicht werden, etwa eines eisenhaltigen oder ferromagnetischen Materials im oder am Bremskörper.
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Wenn keine Bremswirkung erforderlich ist, wird der Elektromagnet 560 eingeschaltet, beispielsweise über einen Stromfluss durch die Spule 562. Damit das entstehende Magnetfeld die Bremskörper aus einer gegebenenfalls geklemmten Position im Bremsbereich herausziehen kann, wird vorgeschlagen, die Bremswelle 110 durch den Motor des Aktuatorsystems so zu drehen, dass der oder die Bremskörper gelockert werden. Dies kann beispielsweise durch eine Drehung der Bremswelle entgegen der vorherigen Bremsrichtung bewirkt werden. Die Drehrichtung zum Entsperren beziehungsweise Entklemmen ist dabei zunächst unabhängig von einer gewünschten Drehrichtung des Systems rotierender Wellen, mit der eine Änderung der Elongation des Aktuatorsystems erreicht werden soll.
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Wenn eine Bremswirkung benötigt wird, wird der Elektromagnet 560 ausgeschaltet. Dadurch tritt eine Bremswirkung zum Beispiel dann ein, wenn ein Spannungsausfall auftritt. Um den Energiebedarf für den Elektromagneten im Freilaufzustand zu minimieren, kann es vorteilhaft sein, die Ausrichtung des Magnetfelds zu optimieren. Mit Verweis auf die 8A und 8B wird dies beispielsweise dadurch erreicht, dass die Pole 566 des Elektromagneten 560 möglichst nah an die Bremskammer beziehungsweise den Freilaufbereich herangebracht werden, um die höhere Stärke des Magnetfelds an den Polen auszunutzen. Ferner sind die Pole 566 mit gleichmäßigem Abstand zum Freilaufbereich beziehungsweise zu den Bremskörpern 512, 522 angeordnet, was eine gleichmäßig wirkende magnetische Kraft auf den oder die Bremskörper bewirkt. Beispielsweise liegen die Magnetfeldlinien zwischen den Polen 566 im Wesentlichen parallel zu einer Rotationsachse der Bremskörper. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der oder die zylinderförmigen Bremskörper nicht verkanten, wenn das Magnetfeld aktiviert wird. Ferner kann erreicht werden, dass die Bremskörper optimal an beziehungsweise in der Wandfläche liegen und sich beispielsweise vollständig an die Wandfläche schmiegen.
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Eine weitere Möglichkeit, den Energiebedarf des Elektromagneten im Betrieb des Aktuatorsystems zu minimieren, besteht darin, den Strom durch die Spule 562 abzusenken, wenn sich der oder die Bremskörper bereits in der jeweiligen Freilaufposition befinden. Die benötigte Kraft zum Halten der Bremskörper in der Freilaufposition ist nämlich geringer als eine Kraft zum Bewegen der Bremskörper etwa aus einer verklemmten Position in die Freilaufposition.
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Wie bereits erläutert, kann die Bremsanordnung 500 an verschiedenen Stellen eines Aktuatorsystems angebracht werden. Beispielsweise ist die Bremswelle eine Motorwelle, eine Getriebewelle oder eine Spindelwelle der Umsetzanordnung oder eine andere Welle im Aktuatorsystem, die abhängig von der Motorwelle angetrieben wird. Wenn die Bremswelle beispielsweise durch die Motorwelle gebildet ist, kann die Bremsanordnung 500 beispielsweise innerhalb eines Motorgehäuses des Motors integriert werden.
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9 zeigt eine Explosionsdarstellung einer exemplarischen Motoranordnung 100. Der Motor weist zum Beispiel ein Gehäuse 140 auf, welches als topfartiger Zylinder ausgeführt ist, welcher an einer ersten Stirnseite im Wesentlichen geschlossen ausgebildet ist und lediglich eine Durchführung (nicht sichtbar) für eine Achse (nicht dargestellt) aufweist. An einer zweiten Stirnseite ist das Gehäuse 140 geöffnet, um Motorkomponenten wie Rotor, Stator etc. sowie die Motorwelle aufzunehmen. Die zweite Stirnseite des Gehäuses 140, die der ersten Stirnseite gegenüberliegt, wird beispielsweise durch eine Endkappe 150 und eine Endplatte 160 abgeschlossen. Im Bereich der ersten Stirnseite sind zusätzlich ein Lager 170 und ein Getrieberad 180 dargestellt, welches sinnbildlich für ein anzuschließendes Getriebe beziehungsweise ein Spindelmuttersystem als Umsetzanordnung steht. Eine Gleitlagerbuchse 184 dient beispielsweise zur Lagerung der Motorachse in der Endkappe 150.
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10 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, bei dem die Bremsanordnung 500 in beziehungsweise auf der Endkappe 150 integriert ist. Die Bremsanordnung 500 ist dabei beispielsweise wieder mit einem Bremsring 550 implementiert, welcher durch die inneren Bremswände die Bremskammern implementiert. Der Ringkörper 550 kann auf die Endkappe, insbesondere im Bereich der Lagerdurchführung, aufgebracht sein und starr beziehungsweise drehfest mit der Endkappe 150 verbunden. Alternativ kann der Ringkörper beziehungsweise können die Bremswände auch untrennbarer Teil der Endkappe 150 sein und beispielsweise gemeinsam aus einem Material gefräst, gegossen oder auf andere Weise hergestellt sein. Aufgrund der Einfachheit der Anordnung sind sehr kompakte Abmessungen und der Einbau in Aktuatorsysteme, insbesondere in aktuelle Linearaktuatoren ohne zusätzlichen Platzbedarf machbar. Der Ringkörper weist beispielsweise eine Höhe beziehungsweise Stärke von wenigen Millimetern auf.
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11 zeigt eine beispielhafte Implementierung eines Aktuatorsystems mit einer Motoranordnung 100, welche in diesem Ausführungsbeispiel aus dem Elektromotor 120, einem Getriebe 130, welches beispielsweise als Drehzahlreduziergetriebe dient, sowie einer symbolischen Spindelwelle 210 einer Umsetzanordnung dargestellt. Weitere Elemente der Umsetzanordnung außer der Spindel 210 sind aus Übersichtsgründen nicht dargestellt. Die Motoranordnung 100 umfasst ferner eine Motorwelle, die als Bremswelle 110 genutzt wird. An der Bremswelle ist die Bremsanordnung 500 angeordnet und drehfest mit einem Gehäuse des Elektromotors 120 verbunden.
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Eine Ansteuerung des solchen Aktuatorsystems, insbesondere durch die Aktuatorsteuerung, lässt sich in verschiedene Betriebsvorgänge aufteilen.
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Beispielsweise wird zum Starten der Bewegung des Aktuatorsystems, also zu einer Veränderung der Elongation das Magnetfeld eingeschalten, beispielsweise mit hoher Stärke. Zudem werden die Bremskörper durch eine Drehbewegung der Bremswelle 110 gelockert, indem beispielsweise Motorsignale erzeugt werden, die den Motor drehen.
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Während einer Bewegung beziehungsweise Veränderung der Elongation wird das Magnetfeld aufrechterhalten, wobei hierzu eine geringere Stärke des Magnetfelds genutzt werden kann. Zudem werden Motorsignale erzeugt, die den Motor in die gewünschte Drehrichtung drehen, um eine gewünschte Veränderung der Elongation zu erzeugen.
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Zum Stoppen der Bewegung, insbesondere wenn die Bewegung endgültig angehalten werden soll, wird der Motor abgeschaltet beziehungsweise nicht mehr aktiv angesteuert, und auch das Magnetfeld wird nicht mehr aktiv gehalten beziehungsweise deaktiviert.
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Wenn im Stillstand des Aktuators eine ausreichende, abtriebsseitige Kraft auftritt, dann aktiviert sich die Bremse automatisch und ohne Energiezufuhr, wobei ausreichend etwa bedeutet, dass eine Gewichtskraft höher als eine initiale Antriebsreibung ist, also bevor die Antriebsreibung durch die aufgrund der Bremswirkung steigende Selbsthemmung größer wird. Eine solche abtriebsseitige Kraft kann z.B. durch die Gewichtskraft einer Tischplatte auf den Aktuator in einem Tischbein auftreten. Sie kann aber auch auftreten, wenn eine Person einen Tisch trägt. In diesem Fall hebt eine Person den Tisch meist an der Tischplatte an und erzeugt dadurch eine Kraft nach oben. Da beide Situationen in der Praxis häufig sind, ist auch die Bremsanordnung mit zwei Bremsrichtungen eine günstige Ausprägung.
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Bevor der Linearaktuator nach dem Stillstand eine Verstellung durchführen kann, muss sichergestellt werden, dass die Bremskörper vom Magnetfeld angezogen werden können. Sie müssen daher zuerst aus einer möglicherweise geklemmten Position herausgebracht, also „gelockert“ werden.
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Dazu erzeugt die Aktuatorsteuerung Motorsignale, die den Motor drehen. Diese Drehbewegung kann in einer anderen Geschwindigkeit erfolgen, als die Drehbewegung, die für eine Verstellung benutzt wird. Es ist auch denkbar, dass der Motor kurz hintereinander in verschiedene Richtungen gedreht wird.
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Die Aktuatorsteuerung nutzt Motorsignale, um den Motor zu bewegen, z.B. mehrere Signalleitungen für mehrphasige Motoren, und zusätzlich ein Signal zum Bestromen der Spule des Magnets. Hierbei werden z.B. 80% PWM für die Spule beim Einschalten des Magnetfelds und 40% PWM nach etwa einer Sekunde als reduzierter Haltestrom während der Bewegung genutzt.
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Ein Prozessor der Aktuatorsteuerung könnte einen Prozessor-Ausgang, insbesondere einen PWM Ausgang nutzen, um einen Transistor anzusteuern, um eine Betriebsspannung, z.B. 30VDC, pulsweitenmoduliert auf die Spule 562 des Elektromagneten 560 zu schalten.
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Gemäß dem verbesserten Antriebskonzept kann ein Aktuatorsystem bzw. ein Linearaktuator mit variabler Selbsthemmung bereitgestellt werden. Dieser weist je nach Ausführung eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften auf:
- Die Bremsanordnung ermöglicht ein sanftes Abbremsen, insbesondere im Gegensatz zu einem harten Abbremsen, welches zu höherer Materialbelastung führt. Es werden keine zusätzlichen rotierenden Teile in der Anordnung benötigt, weshalb die Fertigung eines solchen Aktuatorsystems nicht erschwert ist. Es wird eine kompakte Bremse ermöglicht, die im Linearaktuator beziehungsweise im Motor integrierbar ist und die Baugröße des Aktuatorsystems nicht oder nicht nennenswert verändert. Die Selbsthemmung des Aktuatorsystems ist variabel, weil im Stillstand eine große Selbsthemmung durch die Bremskörper existiert, während einer Bewegung die Selbsthemmung minimal ist. Die Selbsthemmung im Stillstand benötigt keine zusätzliche Leistung. Während der Bewegung, bei der das Magnetfeld eingeschaltet beziehungsweise aktiviert ist, wird nur wenig zusätzliche Leistung für das Magnetfeld benötigt. Ein Rutschen der Antriebe beziehungsweise des Aktuatorsystems für den Betrieb wird trotz geringer Selbsthemmung verhindert. Auch bei plötzlichem Spannungsausfall ist durch die dann einsetzende Bremswirkung Sicherheit gegeben. Die Selbsthemmung passt sich automatisch an, da diese bei größerer Last automatisch größer wird aufgrund der steigenden Klemmwirkung bei größerer Last. Das Aktuatorsystem ist wegen der automatisch anpassenden Selbsthemmung auch überlastsicher.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tischplatte
- 100
- Motoranordnung
- 110
- Bremswelle
- 120
- Motor
- 130
- Getriebe
- 140
- Gehäuse
- 150
- Endkappe
- 160
- Endplatte
- 170
- Lager
- 180
- Getrieberad
- 184
- Gleitlagerbuchse
- 200
- Umsetzanordnung
- 210
- Spindel
- 300
- Teleskopsäule
- 400
- Bedienteil
- 500
- Bremsanordnung
- 510, 520
- Bremswand
- 512, 522
- Bremskörper
- 514, 524
- Federelement
- 550
- Ringkörper
- 560
- Elektromagnet
- 562
- Spule
- 564
- Arm
- 566
- Pol
- 570
- Lagerungskomponente
- LS
- logarithmische Spirale
- RI
- Rille
