DE102020113256A1

DE102020113256A1 - Aktuatorsystem, Möbelstück mit einem Aktuatorsystem und Verfahren zum Ansteuern eines Aktuatorsystems

Info

Publication number: DE102020113256A1
Application number: DE102020113256.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Lukas
Original assignee: Logicdata Electronic and Software Entwicklungs GmbH
Current assignee: Logicdata Electronic and Software Entwicklungs GmbH
Priority date: 2020-05-15
Filing date: 2020-05-15
Publication date: 2021-11-18
Also published as: CN215897491U; DK202170212A1; DK181088B1

Abstract

Ein Aktuatorsystem, insbesondere zur Verstellung eines Möbels, umfasst einen Motor (102) mit einem System rotierender Wellen, die durch den Motor abhängig voneinander angetrieben werden, eine Umsetzanordnung (200), welche eine der rotierenden Wellen umfasst und eingerichtet ist, eine durch den Motor erzeugte Rotationsbewegung dieser Welle in eine Elongation des Aktuatorsystems umzusetzen. Das Aktuatorsystem umfasst ferner eine Bremsvorrichtung (103) mit zumindest einen wiederaufladbaren Energiespeicher (500), der eingerichtet ist, eine Steuerung (101) und die Bremsvorrichtung (103) während einer Bremsphase mit Energie zu versorgen. Die Bremsvorrichtung (103)ist eingerichtet, eine Geschwindigkeit der Rotationsbewegung einer der rotierenden Wellen zu reduzieren. Das Aktuatorsystem umfasst ferner eine Sperrvorrichtung (104), die mit einer der rotierenden Wellen gekoppelt ist und eingerichtet ist, selektiv eine Rotationssperre der dieser Welle zu bewirken, und eine Steuerung (101) zum Steuern des Motors, der Bremsvorrichtung (103) und der Sperrvorrichtung (104).

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Aktuatorsystem, ein Möbelstück mit einem solchen Aktuatorsystem und ein Verfahren zum Ansteuern eines solchen Aktuatorsystems.
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.
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.
Solche Aktuatoren sind regelmäßig gebildet durch einen Elektromotor, der eine Motorwelle antreibt, und eine Umsetzeinrichtung, die eine Rotation einer Welle 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.
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.
Bei selbsthemmenden Linearaktuatoren wird der Grad der Selbsthemmung typischerweise so gewählt, dass der Linearaktuator bei Ausfall der Versorgungsspannung die Last z.B. der Tischplatte mit oder ohne Beladung hält. Tritt ein Ausfall der Versorgungsspannung während der Bewegung der Last auf, so bremst die Selbsthemmung die Last bis zum Stillstand. Jedoch führt die dafür nötige Selbsthemmung zu einem deutlich reduzierten Wirkungsgrad. Alternativ werden Aktuatoren mit geringer oder gar ohne Selbsthemmung gebaut, die dann jedoch eine zusätzliche Brems- und/oder Halteanordnung besitzen müssen. Jedoch stellt sich heraus, dass eine Halteanordnung bei einem Spannungsausfall während z.B. einer Abwärtsfahrt einer schweren oder schwer beladenen Tischplatte keine zuverlässige Sperrfunktion realisieren kann bzw. schnell verschleißt.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Antriebskonzept anzugeben, welches die Einschränkungen herkömmlicher Konzepte überkommt.
Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Das verbesserte Antriebskonzept basiert auf der Idee, ein nicht-selbsthemmendes Aktuatorsystem für elektrisch verstellbare Möbel, insbesondere für elektrisch verstellbare Tische oder Betten, mit hohem Wirkungsgrad bereitzustellen, welches über einen Bremsmechanismus und einen Sperrmechanismus verfügt. Diese Mechanismen stellen zum einen ein sicheres Verstellen einer verstellbaren Komponente des Möbelstücks sicher, zum anderen realisieren sie ein sicheres Halten der verstellbaren Komponente, wenn keine Verstellung durchgeführt wird. Das verbesserte Antriebskonzept basiert zudem auf der Idee, insbesondere bei einem Ausfall einer Versorgungsspannung den Bremsmechanismus zumindest zum Teil mit Energie aus einem wiederaufladbaren Energiespeicher zu versorgen, um eine Verstellung der verstellbaren Komponente derart zu verlangsamen, dass eine Verstellgeschwindigkeit erreicht wird, die unkritisch für den verschleißfreien und zuverlässigen Betrieb des Sperrmechanismus ist.
Ein Aktuatorsystem nach dem verbesserten Konzept umfasst einen Motor mit einem System rotierender Wellen, die durch den Motor abhängig voneinander angetrieben werden, sowie eine Umsetzanordnung, die eine der rotierenden Wellen umfasst und eingerichtet ist, eine durch den Motor erzeugte Rotationsbewegung dieser Welle in eine Elongation des Aktuatorsystems umzusetzen. Ferner umfasst das Aktuatorsystem eine Bremsvorrichtung mit zumindest einem wiederaufladbaren Energiespeicher, der eingerichtet ist, eine Steuerung und die Bremsvorrichtung während einer Bremsphase mit Energie zu versorgen, wobei die Bremsvorrichtung eingerichtet ist, eine Geschwindigkeit der Rotationsbewegung einer der rotierenden Wellen zu reduzieren. Das Aktuatorsystem umfasst ferner eine Sperrvorrichtung, die mit einer der rotierenden Wellen gekoppelt ist und eingerichtet ist, selektiv eine Rotationssperre dieser Welle zu bewirken, und eine Steuerung zum Steuern des Motors, der Bremsvorrichtung und der Sperrvorrichtung.
Dementsprechend schlägt das verbesserte Antriebskonzept vor, eine Bewegung der Antriebsseite, etwa einer Welle, selektiv zu bremsen beziehungsweise selektiv eine Bremswirkung aufzuheben, um damit selektiv eine Rotation der Welle 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. Bei einem Motor, der ein System rotierender Wellen aufweist, die durch den Motor abhängig voneinander angetrieben werden, wird dazu eine Bremsvorrichtung vorgesehen, welche eine der rotierenden Wellen als eine Bremswelle umfasst.
Die Bremsvorrichtung kann eine elektrische Bremswirkung durch entsprechende Ansteuerung des Motors bewirken, um die Drehbewegung der Motorwelle geregelt zu bremsen. Alternativ kann die Bremswirkung auch durch eine mechanische Bremse bewirkt werden.
Beispiele von elektrischen Bremsen sind Wirbelstrombremsen, elektromotorische Bremsen, bei denen der Antriebsmotor beim Abbremsen als Generator verwendet wird, Widerstands- bzw. Kurzschlussbremsen, bei denen vom Motor erzeugter Strom über elektrische Widerstände in Wärme umgewandelt wird, Gegenstrombremsen, wobei der Elektromotor durch Umpolung der Energiezufuhr abgebremst wird, sowie Gleichstrombremsen, bei denen der Elektromotor mittels Gleichstrom abgebremst wird.
DE 10 2020 100 439 der Anmelderin beschreibt ein mögliches Beispiel für eine mechanische Bremsvorrichtung, die wenigstens eine Bremskammer umfasst, 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.
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 Wellen aus lediglich einer Welle, der Motorwelle, bestehen. Die Bremswelle kann grundsätzlich durch jede Welle des Systems rotierender Wellen gebildet sein.
Des Weiteren schlägt das verbesserte Antriebskonzept vor, eine Bewegung der Antriebsseite, etwa einer Motorwelle, selektiv zu sperren und damit selektiv eine Rotationssperre der Motorwelle zu bewirken. Die Rotationssperre kann entweder für beide mögliche Drehrichtungen der Motorwelle vorgesehen werden oder alternativ lediglich in einer ausgewählten Drehrichtung, während in einer zweiten Drehrichtung eine Rotation ungehindert möglich ist. Dazu wird das Aktuatorsystem mit einer Sperrvorrichtung ausgestattet, die mit einer angetriebenen Welle, z.B. mit der Motorwelle, des Linearaktuators gekoppelt ist und ein Sperrelement umfasst, welches eingerichtet ist, selektiv eine Rotationsbewegung der angetriebenen Welle in zumindest eine Richtung zu blockieren bzw. zu sperren. Die Welle kann in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem Motor angeordnet sein, oder vom Motor getrennt sein.
Die selektive Rotationssperre ermöglicht es, den Linearaktuator mit einem hohen Wirkungsgrad, beispielsweise durch geringe Reibung, auszugestalten. Dies kann auch dazu führen, dass eine Geräuschentwicklung des Linearaktuators etwa durch geringere Getriebegeräusche reduziert ist.
DE 10 2019 113 111 der Anmelderin beschreibt ein mögliches Beispiel für eine Sperrvorrichtung, die dazu wenigstens ein Sperrelement, ein Innenteil mit wenigstens einer Innenkammer und ein das Innenteil radial umgebendes Außenteil mit wenigstens einer Außenkammer umfasst, wobei die Innenkammer und die Außenkammer durch Drehung zueinander ausrichtbar sind. Die beiden Kammern sind so ausgestaltet, dass das Sperrelement zwischen der Innen- und der Außenkammer verklemmt werden kann, um die Rotationssperre zu aktivieren.
Das Aktuatorsystem umfasst beispielsweise einen Linearaktuator, der dazu eingerichtet ist, die Rotationsbewegung der Motorwelle in eine Elongation einer Komponente des Linearaktuators zu übersetzen. Beispielsweise wird eine Rotationsbewegung der Motorwelle in eine Verstellung der Höhe einer Arbeitsplatte eines verstellbaren Tisches umgewandelt.
Die Steuerung kann ein Bestandteil eines Aktuators sein, also als zentrale Steuerung ausgebildet sein, oder auch als dezentrale Steuerung ausgebildet sein und außerhalb des Aktuators liegen. Eine Spannungsversorgung, bspw. eine externe Netzspannung, liefert die Energie für die verstellbare Komponente des Möbelsystems, versorgt also zumindest den Motor und die Steuerung sowie die Brems- und ggf. die Sperrvorrichtung des Aktuatorsystems. Die Spannungsversorgung hat einen Netzanschluss zur Koppelung an eine externe Spannungsquelle.
Der wiederaufladbare Energiespeicher der Bremsvorrichtung kann in die Spannungsversorgung integriert sein. Alternativ ist der wiederaufladbare Energiespeicher als eine eigene Komponente mit eigenem Gehäuse ausgebildet, die an die Spannungsversorgung z.B. optional ansteckbar und somit auch nachrüstbar sein kann. Gegebenenfalls hat der Energiespeicher einen eigenen Netzanschluss, z.B. realisiert durch ein 5V USB Netzteil.
Problematisch für den Betrieb der Brems- und Sperrvorrichtung ist insbesondere der schon genannte Fall des Spannungsausfalls der Netzspannung. Bei fehlender Versorgung der Netzspannung ist kein geregeltes Bremsen möglich. Ein Aktuatorsystem gemäß dem verbesserten Konzept umfasst zur Lösung dieses Problems den genannten wiederaufladbaren Energiespeicher. Dieser ist dazu eingerichtet, zumindest die Steuerung und die Bremsvorrichtung mit einer Spannung zu versorgen, sodass auch ohne Netzspannung ein geregeltes Bremsen möglich ist, damit die Sperrvorrichtung, die beispielsweise einen mechanischen Sperrmechanismus umfasst, die Rotationssperre der Welle bewirken kann. Optional ist der wiederaufladbare Speicher ferner dazu eingerichtet, auch die Sperrvorrichtung mit einer Spannung zu versorgen.
Die Energieentnahme aus dem Energiespeicher der Bremsvorrichtung erfolgt für die Dauer des Bremsens und z.B. nur, wenn keine Netzspannung vorhanden ist. Die Dauer der Energieentnahme kann jedoch auch weiter verkürzt werden, wenn die Rotationsbewegung der Welle durch die Bremsvorrichtung nicht bis zum Stillstand reduziert wird, sondern nur bis zu einer bestimmten, für die Halteanordnung unkritischen, Rotationsgeschwindigkeit. Unkritisch in diesem Zusammenhang bedeutet, dass eine Geschwindigkeit der Rotationsbewegung der Welle erreicht wird, bei der die Sperrvorrichtung zuverlässig die Rotationssperre auslösen kann.
In zumindest einer Ausgestaltung ist die Steuerung eingerichtet, den Ausfall der Netzspannung zu erkennen und eine Versorgung der Bremsvorrichtung mit Energie aus dem Energiespeicher während der Bremsphase herzustellen, wenn der Ausfall der Netzspannung vorliegt.
Wenn die Steuerung erkennt, dass keine Netzspannung verfügbar ist, aber auch keine Last bewegt wird, also keine Verstellung einer verstellbaren Komponente des Möbels im Prozess ist, dann ist kein Abbremsen durch die Bremsvorrichtung erforderlich und somit muss keine Energie aus dem Energiespeicher zur Versorgung genutzt werden.
In zumindest einer Ausgestaltung ist die Steuerung ferner eingerichtet, bei Ausfall der Netzspannung ferner zu erkennen, ob eine vordefinierte Bremswirkung der Rotationsbewegung durch eine Gravitationskraft bewirkt wird. Ferner ist die Steuerung in solchen Ausgestaltungen dazu eingerichtet, die Versorgung der Bremsvorrichtung mit Energie aus dem Energiespeicher während der Bremsphase herzustellen, wenn die Gravitationskraft die vordefinierte Bremswirkung unterschreitet. Dabei entspricht die vordefinierte Bremswirkung einer Bremswirkung, die zur Reduktion der Geschwindigkeit unter einen Schwellwert erforderlich ist.
Beispielsweise misst die Steuerung bei einem Spannungsausfall, ob sich eine Verstellung der verstellbaren Komponente verlangsamt, ohne durch die Bremsvorrichtung gebremst zu werden. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die Gravitationskraft, die auf eine verstellbare Tischplatte oder Komponente eines Betts wirkt, eine Höhenverstellung, die im Wesentlichen parallel zur Gravitationskraft ist oder zumindest eine Komponente besitzt, die parallel zur Gravitationskraft ist, dieser Tischplatte verlangsamt bzw. komplett abbremst. Konkret verlangsamt die Gravitationskraft in diesem Fall die herauffahrende Tischplatte, wenn die Spannung ausfällt. Somit bremst die Gravitationskraft die Bewegung und ein aktiver Bremsvorgang ist nicht erforderlich. In diesem Fall braucht dann keine Energie aus dem Energiespeicher zur Versorgung genutzt werden, da das Abbremsen durch die Gravitationskraft ausreicht eine Geschwindigkeit der Rotationsbewegung zu erreichen, bei der die Aktivierung der Rotationssperre unkritisch ist.
In zumindest einer Ausgestaltung ist die Steuerung dazu eingerichtet, den Motor während einer ersten Teilphase der Bremsphase in einem Generatorbetrieb zu betreiben, in dem der Energiespeicher mit generierter Bremsenergie geladen wird. Ferner ist die Steuerung dazu eingerichtet, während einer zweiten Teilphase der Bremsphase die Geschwindigkeit der Rotationsbewegung unter Benutzung der Energie aus dem Energiespeicher auf einen Wert unterhalb eines Schwellwerts zu reduzieren.
Solche Ausgestaltungen realisieren das Prinzip des regenerativen Bremsens, welches bekannt ist aus bspw. der Automobilindustrie, wobei kinetische Energie durch Elektromotoren wieder in elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei agiert der Motor als Generator und nutzt während der ersten Teilphase, die als Rekuperationsphase bezeichnet werden kann, die Energie zum Aufladen des Energiespeichers und optional zur Versorgung der Steuerung und der Bremsvorrichtung, insbesondere bei Ausfall der Netzspannung. Anders ausgedrückt wird in der ersten Teilphase das Prinzip der elektrischen Generatorbremse benutzt, d.h. die Bewegungsenergie bzw. die Lageenergie der bewegten Masse wird in elektrische Energie umgeformt. Durch das Entziehen der Energie aus der Bewegung werden der Elektromotor und damit die vom Elektromotor angetriebenen Wellen gebremst.
Gleichzeitig wird die Energie zum Aufladen des Energiespeichers verwendet.
Ab einer gewissen Drehzahl der Welle reicht die Energie, die der Motor als Generator erzeugt, jedoch nicht mehr aus, um den Energiespeicher zu laden bzw. um die Steuerung und die Bremsvorrichtung mit Energie zu versorgen und somit das geregelte Bremsen aufrechtzuerhalten. Deswegen wird in dieser zweiten Teilphase, die als aktive Bremsphase bezeichnet werden kann, zusätzliche Energie aus dem Energiespeicher genutzt werden, der vor dem Spannungsausfall aus der Netzspannung oder während der Rekuperationsphase durch den Motor geladen wurde.
In zumindest einer Ausgestaltung ist die Steuerung ferner eingerichtet, bei einem Ausfall einer Netzspannung die Geschwindigkeit der Rotationsbewegung unter Nutzung der Energie aus dem Energiespeicher zu reduzieren.
Insbesondere bei Ausfall einer externen Spannungsversorgung wird der Bremsvorgang während der zweiten Teilphase mit Energie aus dem Energiespeicher vollzogen. Dies stellt ein geregeltes Bremsen der Rotationsbewegung sicher, um eine Rotationsgeschwindigkeit zu erreichen, die unkritisch ist für den Betrieb bzw. die Aktivierung der Sperrvorrichtung.
In zumindest einer Ausgestaltung ist die Steuerung ferner eingerichtet, die Energie aus dem Energiespeicher dazu zu nutzen, während der zweiten Teilphase zum Reduzieren der Geschwindigkeit der Rotationsbewegung eine Motorklemmenspannung zu verändern.
In zumindest einer Ausgestaltung ist die Steuerung ferner eingerichtet, die Motorklemmenspannung umzupolen.
In zumindest einer Ausgestaltung ist die Steuerung ferner eingerichtet, die Motorklemmenspannung kontinuierlich zu erhöhen und zu reduzieren.
Die Bremswirkung kann durch Verändern der Klemmenspannung des Motors hervorgerufen werden. Dabei kann die Klemmenspannung in ihrer Höhe verändert werden, oder umgepolt werden. Vorzugsweise wird die Spannung kontinuierlich verändert, um den Motor kontinuierlich zu bremsen. Das Umpolen der Spannung entspricht dabei dem Prinzip der Gegenstrombremsung.
In zumindest einer Ausgestaltung ist die Steuerung ferner eingerichtet, die Energie aus dem Energiespeicher dazu zu nutzen, während der zweiten Teilphase eine Verbindung zwischen einem Bremswiderstand und dem Motor herzustellen.
Alternativ oder zusätzlich kann die zugeführte Energie genutzt werden, um einen Widerstand mit dem Motor zu verbinden und damit die Energie in Wärme umzuwandeln. Zum Beispiel wird ein Relais geschaltet, das den Widerstand mit dem Motor verbindet. Im Fall eines Netzspannungsausfalls kann die Energie aus dem Energiespeicher genutzt werden, um das Relais zu schalten. Dies entspricht dem Prinzip der Kurzschluss- bzw. Widerstandsbremse. Kurzschluss in diesem Zusammenhang bedeutet ein Bremswiderstand mit geringem elektrischem Widerstand.
In zumindest einer Ausgestaltung umfasst die Bremsvorrichtung eine mechanische Bremse und die Steuerung ist ferner eingerichtet, die Energie aus dem Energiespeicher dazu zu nutzen, während der zweiten Teilphase einen Reibschluss der mechanischen Bremse mit einer Welle des Aktuatorsystems herzustellen.
Alternativ oder zusätzlich kann die aus dem Akku zugeführte Energie dazu genutzt werden, eine mechanische Bremse zu betätigen.
In zumindest einer Ausgestaltung ist die Steuerung dazu eingerichtet, zu erkennen, ob die Geschwindigkeit der Rotationsbewegung größer ist als ein Schwellwert, und die Bremsvorrichtung derart zu steuern, dass die Geschwindigkeit der Rotationsbewegung auf einen Wert unterhalb des Schwellwerts reduziert wird.
In zumindest einer Ausgestaltung entspricht der Schwellwert einer unkritischen Geschwindigkeit der Rotationsbewegung für die Sperrvorrichtung.
Beispielsweise kann die Steuerung die aktuelle Geschwindigkeit der Rotationsbewegung detektieren und das Abbremsen durch die Bremsvorrichtung nur dann aktivieren, wenn die detektierte Geschwindigkeit ohnehin schon gering genug ist, dass die Sperrvorrichtung auch ohne zusätzliches Abbremsen durch die Bremsvorrichtung die Rotationsbewegung sicher sperren kann. Der Schwellwert kann dabei jener Geschwindigkeit entsprechen, für die ein unkritischer Betrieb der Sperrvorrichtung ermöglicht ist. Der Schwellwert kann beispielsweise null betragen.
In zumindest einer Ausgestaltung weist der Energiespeicher eine Spannung kleiner oder gleich 5 V auf.
In zumindest einer Ausgestaltung umfasst der Energiespeicher eine, insbesondere eine einzige, Sekundärzelle.
Eine Sekundärzelle ist ein einzelnes, nicht weiter teilbares Speicherelement. Sekundärzellen sind Bestandteile von Akkumulatoren, in denen die dauerhafte Speicherung von elektrischer Energie mit Hilfe chemischer Reaktionen durch Anlegen einer äußeren Spannung möglich wird. Akkumulatoren und Sekundärzellen sind Ausprägungen für einen wiederaufladbaren Energiespeicher in der Spannungsversorgung.
Da die Energie aus dem wiederaufladbaren Energiespeicher nur für einen relativ kurzen Zeitraum, insbesondere nur während zumindest einer Teilphase eines Bremsvorgangs durch die Bremsvorrichtung, und nur zur Versorgung der Steuerung und der Bremsvorrichtung benötigt wird, ist kein Akkumulator bestehend aus einer Vielzahl von Sekundärzellen notwendig. Anstatt dessen kann eine einzige Sekundärzelle für die Durchführung eines geregelten Bremsvorgangs bei Ausfall der Netzspannung genügen. Für das Abbremsen wird typischerweise eine Leistung in der Größenordnung von 10-15 W benötigt. Im Gegensatz dazu benötigt zum Beispiel die Höhenverstellung einer Tischplatte typischerweise rund 100-200 W an Leistung. Folglich grenzen sich Ausgestaltungen mit lediglich einer einzigen Sekundärzelle von herkömmlichen Systemen ab, die eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zum Betrieb des verstellbaren Möbels einsetzen und von daher wesentlich größere Energiespeicher, wie zum Beispiel große Akkumulatoren, benötigen.
In zumindest einer Ausgestaltung umfasst der Energiespeicher parallel geschaltete Sekundärzellen.
Da es sich bei einem Akkumulator um eine Menge seriell und/oder parallel geschalteter Sekundärzellen handelt, ist die Ladeschaltung typischerweise aufwendig und bei schlechter Ladeschaltung zusätzlich risikoreich. Es muss in solchen Anordnungen darauf geachtet werden, dass alle Zellen im Akkumulator einigermaßen gleichmäßig geladen werden, um ein Überladen oder eine Tiefentladung einzelner Zellen zu verhindern. Während parallel geschaltete Sekundärzellen noch relativ einfach zu handhaben sind, sind seriell geschaltete Sekundärzellen aufwendiger zu laden.
Eine einzelne Sekundärzelle bzw. parallelgeschaltete Sekundärzellen lassen sich in Bezug auf Temperatur und Ladezustand gut kontrollieren. Die Ladeschaltung für solche Anordnungen kann z.B. durch einen Lade-IC implementiert sein, oder alternativ durch ein einfaches Konstantspannungsverfahren.
In zumindest einer Ausgestaltung umfasst der Energiespeicher eine Lithium-Zelle.
Typische Lithium-Zellen verfügen über eine Nennspannung von kleiner als 5 V, insbesondere ca. 3,6-3,7 V, pro Zelle. Somit sind einzelne oder einige parallel geschaltete Lithium-Zellen, die die gleiche Nennspannung bei höherer Kapazität besitzen, gut geeignet beispielsweise durch einen Generatorbetrieb des Motors zügig geladen zu werden. Typischerweise entstehen ungefähr 5-15 W in 100-200 ms des Generatorbetriebs. Alternativ können die Lithium-Zellen durch ein Netzteil, beispielsweise ein typisches 5 V USB Netzteil, des Aktuatorsystems geladen werden.
In zumindest einer Ausgestaltung umfasst der Energiespeicher einen Superkondensator.
Alternativ zu oder in Kombination mit Sekundärzellen kann der Energiespeicher Superkondensatoren umfassen. Auch Ultrakondensatoren genannt, sind dies elektrochemische Kondensatoren und als solche eine Weiterentwicklung der Doppelschichtkondensatoren. Im Vergleich zu Akkumulatoren gleichen Gewichts weisen Superkondensatoren lediglich etwa 10 % von deren Energiedichte auf, allerdings ist ihre Leistungsdichte etwa 10-100-mal so groß. Sie können deshalb sehr viel schneller ge- und entladen werden und überstehen außerdem deutlich mehr Schaltzyklen als Sekundärzellen.
Superkondensatoren besitzen eine Nennspannung zwischen ca. 2-4 V und liegen somit ungefähr im gleichen Bereich wie Lithium-Zellen. Zudem verfügen Superkondensatoren über einen ähnlichen Innenwiderstand im mQ-Bereich. Dieser niedrige Innenwiderstand erlaubt die Entnahme von großen Strömen.
In zumindest einer Ausgestaltung verfügt der Energiespeicher über eine Leistungskapazität kleiner als 100 W, insbesondere im Bereich von 10-20 W.
In zumindest einer Ausgestaltung verfügt der Energiespeicher über eine Energiekapazität, die kleiner ist als eine zum Betrieb des Motors erforderliche Energie.
Der Energiespeicher ist lediglich dazu eingerichtet, bei Ausfall der Netzspannung einen geregelten Bremsvorgang durch die Bremsvorrichtung sicherzustellen. Dafür genügt die angegebene Leistungskapazität dafür, die Steuerung und die Bremsvorrichtung mit einer Spannung zu versorgen.
Insbesondere ist der Energiespeicher nicht dazu eingerichtet, ausreichend Energie für eine Verstellung der verstellbaren Komponente des Möbels bereitzustellen.
In zumindest einer Ausgestaltung umfasst die Bremsvorrichtung einen Spannungswandler.
Aufgrund der geringen Spannung einer einzelnen Sekundärzelle bzw. eines einzelnen Superkondensators, zum Beispiel weniger als 5 V, und der üblicherweise benötigten höheren Spannung für ein elektrisch verstellbares Möbelsystem, zum Beispiel etwa 20 V oder mehr, wird eine Spannungswandlerstufe eingesetzt, die die Spannung des Energiespeichers entsprechend anhebt. Solche Schaltungen werden zum Beispiel als Hochsetzsteller, als Aufwärtswandler oder als Gegentaktwandler implementiert.
Durch die Spannungswandlerstufe wird eine Serienschaltung von Zellen erspart, die ansonsten nötig wäre, um die erforderliche höhere Spannung zu erreichen. Ebenso wird eine komplexe Ladeschaltung erspart, um ein Tief-Entladen oder ein Überladen der Sekundärzellen und/oder Superkondensatoren des Energiespeichers zu verhindern.
In Ausgestaltungen, in denen kinetische Energie durch einen Generatorbetrieb des Motors zum Aufladen des Energiespeichers genutzt wird, kann hierfür ebenfalls ein entsprechender Spannungswandler erforderlich sein, zum Beispiel ein Tiefsetzsteller. Alternativ hierzu kann statt einem unidirektionalen Spannungswandler für jede Richtung des Energieflusses auch ein entsprechender bidirektionaler Wandler eingesetzt werden.
In zumindest einer Ausgestaltung umfasst die Bremsvorrichtung einen Bremskörper, der dazu eingerichtet ist, eine reibschlüssige Verbindung mit der Motorwelle zu bilden.
In zumindest einer Ausgestaltung ist die Bremsvorrichtung eingerichtet, die Geschwindigkeit der Rotationsbewegung durch Rekuperation von Bewegungsenergie zu reduzieren.
In zumindest einer Ausgestaltung umfasst die Sperrvorrichtung ein Sperrelement, das dazu eingerichtet ist, eine formschlüssige Verbindung in der Sperrvorrichtung zu bilden
In zumindest einer Ausgestaltung umfasst das Aktuatorsystem ein System rotierender Wellen, wobei die Motorwelle Teil des Systems rotierender Wellen ist, und der Motor dazu eingerichtet ist, die rotierenden Wellen abhängig voneinander anzutreiben.
In verschiedenen Ausgestaltungen ist die Steuerung am Linearaktuator befestigt oder bildet mit dem Linearaktuator eine integrierte Einheit. Alternativ kann die Steuerung auch separat vom Linearaktuator angeordnet sein.
Gemäß dem verbesserten Antriebskonzept wird auch ein Möbelstück mit wenigstens einer verstellbaren Komponente und mit einem Aktuatorsystem gemäß einem der beschriebenen Ausführungsformen zur Verstellung der Komponente vorgeschlagen. Solche Möbelstücke sind zum Beispiel Tische, Betten oder verstellbare Sitz- und Liegemöbel.
Das verbesserte Antriebskonzept betrifft auch ein Verfahren zum Ansteuern eines Aktuatorsystems gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen. Das Verfahren umfasst beispielsweise die folgenden Schritte: Steuern des Motors, der Bremsvorrichtung und der Sperrvorrichtung mittels der Steuerung; und
Versorgen der Steuerung und der Bremsvorrichtung mit Energie aus dem wiederaufladbaren Energiespeicher während einer Bremsphase.
In verschiedenen Ausgestaltungen des Verfahrens umfasst das Verfahren ferner das Erkennen des Ausfalls der Netzspannung und Herstellung der Versorgung der Bremsvorrichtung mit Energie aus dem Energiespeicher während der Bremsphase bei Ausfall der Netzspannung.
Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich unmittelbar aus den verschiedenen Ausführungen, die im Zusammenhang mit der Beschreibung des Aktuatorsystems und insbesondere des wiederaufladbaren Energiespeichers ausgeführt sind.
Im Folgenden wird das verbesserte Konzept 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.
Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel eines elektrisch verstellbaren Möbelstücks;
2 eine schematische Darstellung eines Linearaktuators;
3 bis 8 schematische Blockdiagramme zur Illustrierung des Energieflusses in einem Aktuatorsystem gemäß dem verbesserten Konzept; und
9 den beispielhaften zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeit der Rotationsbewegung und den der Energiebilanz in einem Aktuatorsystem gemäß dem verbesserten Konzept.

1 zeigt einen schematischen Aufbau eines elektrisch verstellbaren Möbelstücks, das vorliegend als höhenverstellbarer Tisch ausgebildet ist. Der Tisch weist eine Tischplatte 1 auf, welche über ein Aktuatorsystem, hier ein Linearaktuator, der durch eine Motoranordnung 100 und eine Umsetzanordnung 200, z.B. ein Spindel-Mutter-System, gebildet ist, in der Höhe verstellt werden kann. Die Umsetzanordnung 200 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. Zusätzlich umfasst das Aktuatorsystem einen wiederaufladbaren Energiespeicher 500, der mit der Motoranordnung verbunden ist. Hier ist der Energiespeicher 500 als eigenständige Einheit ausgebildet. Alternativ kann der wiederaufladbare Energiespeicher 500 auch in die Motoranordnung 100 integriert sein.
2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Linearaktuators, der aus einer Motoranordnung 100 und einem Spindel-Mutter-System als Beispiel für eine Umsetzanordnung 200 gebildet ist. Die Motoranordnung 100 weist eine rotierende Achse auf, beispielsweise eine Welle aus einem System rotierender Wellen, die mechanisch mit dem Spindel-Mutter-System gekoppelt ist, welches die rotierende Bewegung in eine Elongation bzw. lineare Auslenkung des Linearaktuators umsetzt. Anstelle des Spindel-Mutter-Systems kann auch eine andere Art von Umsetzanordnung 200 genutzt werden, die mit der Welle gekoppelt ist und eingerichtet ist, eine durch die Welle 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.
Eine Steuerung 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.
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.
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.
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.
Der Wirkungsgrad des Linearaktuators mit einem Spindel-Muttersystem wird insbesondere bestimmt durch den Steigungswinkel der Spindel und die Reibung in dem Spindel-Muttersystem. 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.
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.
Eine hohe Selbsthemmung verringert den Gesamtwirkungsgrad des Linearaktuators, was einen größeren und teureren Motor erfordert.
Gemäß dem verbesserten Antriebskonzept wird vorgeschlagen, ein nicht-selbsthemmendes Aktuatorsystem mit einer Bremsvorrichtung und einer Sperrvorrichtung auszustatten. Wenn ein Aktuator, beispielsweise in einem Tischbein, über keine Selbsthemmung verfügt und auch nicht durch eine Sperranordnung gesperrt ist, dann würde die Gewichtskraft der Tischplatte den Aktuator unmittelbar nach unten beschleunigen. Deswegen wird - ohne Sperranordnung - immer ein Drehmoment durch den Motor im Aktuator benötigt, die der Gewichtskraft entgegengerichtet ist. Die Kraft durch das Drehmoment ist gleich groß wie die Gewichtskraft. Das Drehmoment des Motors ist proportional zu einem Motorstrom, der durch die Spannung an den Motorklemmen erzeugt wird.
Soll etwa eine Tischplatte heruntergefahren werden, muss zunächst das Drehmoment des Motors verringert werden. Dadurch beschleunigt der Motor. Damit der Motor jedoch nicht ständig beschleunigt, sondern nach der Beschleunigung mit konstanter Geschwindigkeit nach unten fährt, wird das Drehmoment wieder so weit erhöht, dass die Kraft aus dem Drehmoment der Gewichtskraft entspricht. Durch Erhöhen des Stroms und des dadurch resultierenden Drehmoments wird der Motor schlussendlich abgebremst.
Ein Beispiel für eine mechanische Bremsvorrichtung ist in der DE 10 2020 100 439 der Anmelderin beschrieben. Als Grundprinzip wird einer solchen Bremsvorrichtung ein Reibschlussprinzip zugrunde gelegt, welches selektiv aktivierbar und deaktivierbar ist und beispielsweise selbsttätig eine Erhöhung der Selbsthemmung des Aktuatorsystems ermöglicht.
Gemäß dem verbesserten Antriebskonzept wird des Weiteren vorgeschlagen, den Linearaktuator mit einer Sperrvorrichtung auszustatten, die direkt oder indirekt mit der Motorwelle des Motors gekoppelt ist und eingerichtet ist, selektiv eine Rotationssperre der Motorwelle mittels wenigstens eines Sperrelements zu bewirken.
Ein Beispiel für eine Sperrvorrichtung ist in der DE 10 2019 113 111 der Anmelderin beschrieben. Durch die Möglichkeit, eine selektive Rotationssperre der Motorwelle zu bewirken, das heißt den Linearaktuator zu sperren, wird zum Vermeiden von Rutschen keine selbsthemmende Antriebsanordnung benötigt. Dadurch wird vom Motor weniger Leistung benötigt, was zu geringeren Kosten und insbesondere beim Wegfall eines Drehzahlreduziergetriebes auch den benötigten Bauraum beziehungsweise das Volumen und/oder das Gewicht des Linearaktuators reduziert. Beim Weglassen eines Drehzahlreduziergetriebes wird auch eine Quelle für unerwünschte Geräuschentwicklung des Linearaktuators beseitigt.
Für den Betrieb des Aktuatorsystems umfasst die Motoranordnung 100 neben beispielsweise der Steuerung 101, dem Motor 102, der Bremsvorrichtung 103 und dem wiederaufladbaren Energiespeicher 500, der hier zur besseren Darstellung als separates Element dargestellt ist, jedoch der Bremsanordnung zugeordnet wird, des Weiteren ein Netzteil 105, welches mit einer externen Spannungsversorgung 600, beispielsweise einer Netzspannung, verbunden ist. Der wiederaufladbare Energiespeicher 500 ist gemäß dem verbesserten Konzept dazu eingerichtet, insbesondere bei Abwesenheit bzw. Ausfall der Versorgung über die externe Spannungsversorgung 600 zumindest die Steuerung sowie die Bremsvorrichtung 103 mit einer elektrischen Spannung zu versorgen, sodass ein geregelter Bremsvorgang durchgeführt werden kann und die Sperrvorrichtung 104 die Rotationssperre zuverlässig aktivieren kann. Die folgenden Figuren illustrieren das verbesserte Konzept anhand von Schaltskizzen.
Der Motor 102 ist ein konventioneller Gleichstrommotor, kann aber alternativ auch ein dreiphasiger Motor, wie z.B. ein dreiphasiger BLDC Motor, sein.
Die Bremsvorrichtung 103 bewirkt beispielsweise eine elektrische Bremswirkung durch entsprechende Ansteuerung des Motors 102. Beispielsweise verfügt die Bremsvorrichtung 103 über Anschlussklemmen in einer H-Schaltung umfassend z.B. vier Schalter mit dem Motor 102 dazwischen angeordnet, und einen Pufferkondensator in einem Zwischenkreis. Dabei erzeugt die Steuerung 101 über entsprechende PWM-Ansteuerung der Schalter der H-Schaltung die gewünschte Klemmenspannung und Spannungsrichtung aus der Zwischenkreisspannung.
Die Drehzahl des Motors 102 ist von der Klemmenspannung abhängig. Um eine gewünschte Drehzahl zu erreichen, verändert die Steuerung 101 die Klemmenspannung, bis die gewünschte Drehzahl erreicht ist. Sollte für das Erreichen einer bestimmten Drehzahl eine Klemmenspannung kleiner als 0 erforderlich sein, so befindet sich der Motor im Generatorbetrieb, d.h. dass die innere Motorspannung größer ist als die Spannung am Widerstand. Da die innere Spannung von der Drehzahl abhängig ist, ist der Motor ab einer bestimmten Drehzahl im Generatorbetrieb und diese Drehzahl ist proportional zum Motorwiderstand. Das heißt, je kleiner der Widerstand ist, desto kleiner ist die Drehzahl, ab der der Generatorbetrieb beginnt.
Beim Abbremsen des Motors 102 nehmen die Drehzahl und damit die generierte innere Spannung ab. Die Steuerung 101 muss daher die Klemmenspannung anheben. Sobald die Klemmenspannung größer als 0 wird, verlässt der Motor 102 den Generatorbetrieb. Die Energie, um die Klemmenspannung weiter zu erhöhen stammt nun aus der Zwischenkreisspannung.
Wenn die Klemmenspannung negativ ist, sich der Motor 102 also im Generatorbetrieb befindet, wird die Spannung den Pufferkondensator des Zwischenkreises laden. Um eine Erhöhung der Zwischenkreisspannung über einen Maximalwert, bspw. 30 V, zu vermeiden, wird die Energie zum Laden des wiederaufladbaren Energiespeichers 500 verwendet.
Verlässt der Motor den Generatorbetrieb, dann wird der Pufferkondensator entladen. Die Zwischenkreisspannung beginnt zu sinken, die Steuerung 101 erkennt dies und nutzt den wiederaufladbaren Energiespeicher 500 um den Kondensator zu laden und die Zwischenkreisspannung zu halten.
Wenn der wiederaufladbare Energiespeicher 500 weniger als 5V Nennspannung hat, wird beispielsweise ein bidirektionaler Spannungswandler zwischen 5V und der Zwischenkreisspannung benötigt.
Wenn die Netzspannung während einer Motoraktivität ausfällt, kann die Zwischenkreisspannung durch Laden des Zwischenkreispuffers aus der vom Motor 102 generierten Spannung gehalten werden. Sobald diese Energie nicht mehr ausreicht, oder überhaupt keine Energie mehr erzeugt wird, beginnt die Zwischenkreisspannung abzunehmen. Die Steuerung 101 erkennt dies und nutzt den wiederaufladbaren Energiespeicher 500, um damit den Puffer wieder mit Energie zu versorgen. Die Zwischenkreisspannung steht somit sowohl bei einem Netzspannungsausfall auch bei Vorhandensein der Netzspannung zur Verfügung. Das Bremsen kann in beiden Fällen in gleicher Art durchgeführt werden.
3 bis 8 illustrieren schematisch den Energiefluss innerhalb des Aktuatorsystems in verschiedenen Situationen. Insbesondere zeigt 3 den Normalbetrieb des Aktuatorsystems bei vorhandener externer Spannungsversorgung 600. Das Netzteil 105 gespeist durch die externe Spannungsversorgung 600 versorgt die Steuerung 101 sowie den Motor 102 beispielsweise über die Steuerung 101. Übersichtshalber wurde auf eine explizite Darstellung der Bremsvorrichtung 103 und der Sperrvorrichtung 104 in dem Blockschema verzichtet. Beispielsweise sind die Bremsvorrichtung 103 und die Sperrvorrichtung 104 als integrierte Komponenten der Steuerung 101 und/oder des Motors 102 ausgebildet. Dementsprechend werden die Bremsvorrichtung 103 und die Sperrvorrichtung 104, falls nötig, über die Steuerung 101 mit Spannung versorgt.
In der 3 ist durch die Pfeile angedeutet, dass in dieser Situation der wiederaufladbare Energiespeicher 500 mit dem Netzteil 105 verbunden ist und durch dieses geladen wird. Der Energiespeicher 500 umfasst beispielsweise eine oder mehrere parallel geschaltete Sekundärzellen und/oder einen oder mehrere parallel geschaltete Superkondensatoren. Ein Energieübertrag von dem Energiespeicher 500 zu anderen Komponenten des Aktuatorsystems findet in dieser Konstellation nicht statt.
4 zeigt ein alternatives Aktuatorsystem ähnlich dem aus 3, jedoch mit dem Unterschied, dass der Energiespeicher 500 hier direkt durch die externe Spannungsversorgung 600 geladen wird. Dies geschieht beispielsweise über eine eigenständige Energiequelle, beispielsweise ein weiteres Netzteil, welches im Energiespeicher 500 integriert ist. Zum Beispiel umfasst der Energiespeicher 500 ein eigenes 5-V-Netzteil.
5 zeigt den schematischen Energiefluss in einem Aktuatorsystem nach 3 oder 4, bei dem keine externe Spannungsversorgung 600 verfügbar ist. Beispielsweise ist die Spannungsversorgung 600 ausgefallen. Geschieht dieser Ausfall während einer Verstellung der verstellbaren Komponente des Möbels und befindet sich die Motorwelle des Motors 102 zum Zeitpunkt des Spannungsausfalls in Bewegung, so wird dies von der Steuerung 101 erkannt und ein kontrolliertes Abbremsen der Rotationsbewegung der Motorwelle durch die Bremsvorrichtung 103 initiiert, sodass letztendlich die Sperrvorrichtung 104 die Rotationssperre der Motorwelle aktivieren kann.
5 zeigt einen beispielhaften Energiefluss während einer ersten Teilphase der Bremsphase, der sogenannten Rekuperationsphase. Solange der Motor 102 bzw. die Motorwelle eine gewisse Mindestdrehzahl hat, kann die kinetische Energie in einem Generatorbetrieb des Motors 102 dazu aufgewendet werden, die Steuerung 101 und die Bremsvorrichtung 103, beispielsweise über die Steuerung 101, per Rekuperation zu betreiben. Dieses Prinzip ist bekannt beispielsweise aus der Automobilindustrie, wo dies in Fahrzeugen mit hybridem Antrieb zur Anwendung kommt. Analog kann die kinetische Energie des Motors 102 dazu aufgewendet werden, den Energiespeicher 500 zu laden.
Da eine Betriebsspannung des Motors 102, beispielsweise 20 V, in der Regel höher ist als die Spannung, die zum Laden des Energiespeichers 500 benötigt wird, beispielsweise 5 V, ist ein Spannungswandler 106 zwischen den Motor 102 und der Energiespeicher 500 gekoppelt.
6 zeigt den beispielhaften Energiefluss während einer zweiten Teilphase der Bremsphase, der aktiven Bremsphase. Sobald die Drehzahl des Motors 102 bzw. der Motorwelle zu gering ist für das Betreiben der Steuerung 101 und der Bremsvorrichtung 103, wird dies durch die Steuerung 101 erkannt und zum Energiespeicher 500 als Energiequelle geschaltet. Analog zum Spannungswandler 106 wandelt ein weiterer Spannungswandler 107 die Spannung des Energiespeichers 500, beispielsweise 5 V, in die Spannung um, die benötigt wird, um die Steuerung 101 und die Bremsvorrichtung 103 zu betreiben. Eine Energiekapazität des Energiespeichers 500 ist dabei derart dimensioniert, dass ein geregelter Bremsvorgang der Rotationsbewegung durchgeführt werden kann und eine Geschwindigkeit erreicht wird, die unkritisch ist für den Betrieb der Sperrvorrichtung 104. Insbesondere ist die Energiekapazität des Energiespeichers 500 nicht ausreichend, um das gesamte Aktuatorsystem inklusive dem Motor 102 zu betreiben.
7 zeigt ein alternatives Aktuatorsystem ähnlich dem aus 5 jedoch mit dem Unterschied, dass hier die Energie für die Versorgung der Steuerung 101 und der Bremsvorrichtung 103 auch während der ersten Bremsphase, der Rekuperationsphase, aus dem Energiespeicher 500 stammt. Zusätzlich wird der Energiespeicher 500 nur während der ersten Bremsphase gleichzeitig durch die kinetische Energie des Motors 102 geladen. Statt zweier unidirektionalen Spannungswandler 106,107 kann alternativ ein bidirektionaler Spannungswandler eingesetzt werden.
8 zeigt eine Variante des Aktuatorsystems, bei der im Generatorbetrieb lediglich die Steuerung 101 und die Bremsvorrichtung 103 während der gesamten Bremsphase versorgt wird und keine Ladeenergie für den Energiespeicher 500 zur Verfügung steht. In diesem Fall wird der Energiespeicher 500 nur mit der Netzspannung der externen Spannungsversorgung 600 geladen und liefert bei Ausfall der Netzspannung die Energie für einen Schaltvorgang, der einen Motorkurzschluss erzeugt und so eine Abbremsung der Rotationsbewegung bewirkt. Die Bewegungsenergie wird in dem Fall über den Widerstand der Motorwicklungen in Form von Wärme frei.
9 zeigt den zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeit der Rotationsbewegung und den der Energiebilanz während eines Herunterfahrens einer Tischplatte 1 mit anschließendem Bremsvorgang. Dabei illustriert das obere Diagramm den Drehzahlverlauf in Abhängigkeit der Zeit, während das untere Diagramm den Verlauf der zur Steuerung 101 und Bremsvorrichtung 103 zugeführten Energie darstellt.
Zum Zeitpunkt t=0 fährt die Tischplatte bereits mit konstanter Geschwindigkeit nach unten, was im Diagramm durch die negative Geschwindigkeit dargestellt ist. Zum Zeitpunkt t1 beginnt der Bremsvorgang durch die Bremsvorrichtung 103. Zum Zeitpunkt t3 ist der Bremsvorgang beendet und die Tischplatte 1 befindet sich in einer Ruheposition. Dem unteren Diagramm ist zu entnehmen, dass zwischen t=0 und t2 die zugeführte Energie negativ ist, d.h. der Motor im Generatorbetrieb arbeitet und Energie freigesetzt wird, beispielsweise um den Energiespeicher 500 zu laden und die Steuerung 101 sowie die Bremsvorrichtung 103 mit ausreichender Spannung zu versorgen. Reicht die kinetische Energie des Motors 102 nicht mehr aus, um die Steuerung 101 und die Bremsvorrichtung 103 mit ausreichender Spannung zu versorgen, die Drehzahl des Motors 102 bzw. der Motorwelle also zu gering ist, so muss Energie vom Energiespeicher 500 zugeführt werden, um das Abbremsen durch die Bremsvorrichtung 103 fortzuführen.
Nach vollständigem Abbremsen der Rotationsbewegung wird im Beispiel zwischen t3 und dem Zeitpunkt t4 der Steuerung 101 und der Bremsvorrichtung 103 noch gerade so viel Energie zugeführt, um den Motor zu halten, damit die Sperrvorrichtung 104 zuverlässig die Rotationssperre aktivieren kann, was unter Umständen eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt und nicht unbedingt instantan geschieht. Ein Einrastvorgang der Sperrvorrichtung 104 kann zum Beispiel einige 100 ms benötigen. Würde die Motorwelle sich in dieser Zeit wieder in Bewegung setzen, so könnte dies dazu führen, dass der Einrastvorgang nicht erfolgreich durchgeführt werden kann. Alternativ kann zwischen t3 und t4 die Motorwelle langsam noch so weit gedreht werden, dass ein Sperrelement der Sperrvorrichtung 104 einrasten kann.
Ein Linearaktuator gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann zusammen mit einer Steuerung ein Aktuatorsystem bilden. Neben herkömmlichen Steuerungsfunktionen ist eine solche Steuerung beispielsweise eingerichtet, gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren die Rotationssperre zu aktivieren, zu deaktivieren und deaktiviert zu halten, um eine kontinuierliche Motorbewegung zu ermöglichen. Dies schließt insbesondere die Ansteuerung des Motors zum Bewegen des Sperrelements in den Sperrbereich und das optionale aktive Verklemmen des Sperrelements ein, sowie ferner das Ansteuern des Motors, um die Verklemmung zu lösen.
Ein solcher Linearaktuator beziehungsweise ein solches Aktuatorsystem mit einem solchen Linearaktuator lassen sich vielfältig in verschiedenen Möbelstücken einsetzen. Insbesondere können solche Möbelstücke durch Tische oder andere Tischmöbel gebildet sein, aber auch durch verstellbare Betten, bei denen beispielsweise ein Fußteil und/oder ein Kopfteil des Betts verstellbar sind. Ein anderer Anwendungsfall sind zum Beispiel verstellbare Sitz- und Liegemöbel, wie zum Beispiel Fernsehsessel oder dergleichen.
Bezugszeichenliste

1: Tischplatte
100: Motoranordnung
101: Steuerung
102: Motor
103: Bremsvorrichtung
104: Sperrvorrichtung
105: Netzteil
106, 107: Spannungswandler
200: Umsetzanordnung
300: Teleskopsäule
400: Bedienteil
500: Energiespeicher
600: externe Spannungsversorgung

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

DE 102020100439 [0014, 0086]
DE 102019113111 [0018, 0088]

Claims

Aktuatorsystem, insbesondere zur Verstellung eines Möbels, das Aktuatorsystem umfassend - einen Motor (102) mit einem System rotierender Wellen, die durch den Motor abhängig voneinander angetrieben werden; - eine Umsetzanordnung (200), welche eine der rotierenden Wellen umfasst und eingerichtet ist, eine durch den Motor erzeugte Rotationsbewegung dieser Welle in eine Elongation des Aktuatorsystems umzusetzen; - eine Bremsvorrichtung (103), umfassend zumindest einen wiederaufladbaren Energiespeicher (500), der eingerichtet ist, eine Steuerung (101) und die Bremsvorrichtung (103) während einer Bremsphase mit Energie zu versorgen, und die eingerichtet ist, eine Geschwindigkeit der Rotationsbewegung einer der rotierenden Wellen zu reduzieren; - eine Sperrvorrichtung (104), die mit einer der rotierenden Wellen gekoppelt ist und eingerichtet ist, selektiv eine Rotationssperre dieser Welle zu bewirken; und - eine Steuerung (101) zum Steuern des Motors, der Bremsvorrichtung (103) und der Sperrvorrichtung (104).
Aktuatorsystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (101) eingerichtet ist, - den Motor (102) während einer ersten Teilphase der Bremsphase in einem Generatorbetrieb zu betreiben, in dem der Energiespeicher (500) mit generierter Bremsenergie geladen wird; und - während einer zweiten Teilphase der Bremsphase die Geschwindigkeit der Rotationsbewegung unter Nutzung von Energie aus dem Energiespeicher (500) auf einen Wert unterhalb eines Schwellwerts zu reduzieren.
Aktuatorsystem nach Anspruch 2, wobei die Steuerung (101) ferner eingerichtet ist, bei einem Ausfall einer Netzspannung die Geschwindigkeit der Rotationsbewegung unter Nutzung der Energie aus dem Energiespeicher (500) zu reduzieren.
Aktuatorsystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steuerung (101) ferner eingerichtet ist, die Energie aus dem Energiespeicher (500) dazu zu nutzen, während der zweiten Teilphase zum Reduzieren der Geschwindigkeit der Rotationsbewegung eine Motorklemmenspannung zu verändern.
Aktuatorsystem nach Anspruch 4, wobei die Steuerung (101) ferner eingerichtet ist, die Motorklemmenspannung umzupolen.
Aktuatorsystem nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Steuerung (101) ferner eingerichtet ist, die Motorklemmenspannung kontinuierlich zu erhöhen und zu reduzieren.
Aktuatorsystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steuerung (101) ferner eingerichtet ist, die Energie aus dem Energiespeicher (500) dazu zu nutzen, während der zweiten Teilphase eine Verbindung zwischen einem Bremswiderstand und dem Motor (102) herzustellen.
Aktuatorsystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Bremsvorrichtung (103) eine mechanische Bremse umfasst und die Steuerung (101) ferner eingerichtet ist, die Energie aus dem Energiespeicher (500) dazu zu nutzen, während der zweiten Teilphase einen Reibschluss der mechanischen Bremse mit einer Welle des Aktuatorsystems herzustellen.
Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Steuerung (101) eingerichtet ist, - zu erkennen, ob die Geschwindigkeit der Rotationsbewegung größer ist als ein Schwellwert; und - die Bremsvorrichtung (103) derart zu steuern, dass die Geschwindigkeit der Rotationsbewegung auf einen Wert unterhalb des Schwellwerts reduziert wird.
Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei der Schwellwert einer unkritischen Geschwindigkeit der Rotationsbewegung für die Sperrvorrichtung (104) entspricht.
Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Energiespeicher (500) eine Spannung kleiner oder gleich 5 V aufweist.
Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Energiespeicher (500) eine, insbesondere eine einzige, Sekundärzelle umfasst.
Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Energiespeicher (500) parallel geschaltete Sekundärzellen umfasst.
Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Energiespeicher (500) eine Lithium-Zelle umfasst.
Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Energiespeicher (500) einen Superkondensator umfasst.
Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Energiespeicher (500) über eine Leistungskapazität kleiner als 100 W, insbesondere über eine Leistungskapazität im Bereich von 10-20 W, verfügt.
Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Energiespeicher (500) über eine Energiekapazität verfügt, die kleiner ist als eine zum Betrieb des Motors (102) erforderliche Energie.
Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Bremsvorrichtung (103) ferner einen Spannungswandler (106, 107) umfasst.
Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Sperrvorrichtung (104) ein Sperrelement umfasst, das eingerichtet ist, eine formschlüssige Verbindung in der Sperrvorrichtung (104) zu bilden.
Möbelstück mit wenigstens einer verstellbaren Komponente und mit einem Aktuatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19 zur Verstellung der Komponente.
Verfahren zum Ansteuern eines Aktuatorsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 18, das Verfahren umfassend - Steuern des Motors (102), der Bremsvorrichtung (103) und der Sperrvorrichtung (104) mittels der Steuerung (101); und - Versorgen der Steuerung (101) und der Bremsvorrichtung (103) mit Energie aus dem wiederaufladbaren Energiespeicher (500) während einer Bremsphase.