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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung
für ein
Stellglied der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
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Solche Antriebsvorrichtungen werden
vorteilhaft in Heizungs-, Lüftungs
und Klimanlagen zur Betätigung
von Stellgliedern wie Ventilen oder Klappen und dergleichen verwendet.
Durch eine Sicherheitsfunktion nimmt ein Stellglied bei Stromausfall
einen vorbestimmten Zustand ein. Die Sicherheitsfunktion dient dazu,
Frostschäden
zu vermeiden oder den Gefahrenherd beispielsweise bei Bränden oder
Störungen
auch bei Stromausfall lokal zu begrenzen.
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Aus dem Datenblatt 4643D vom November 1990
von Landis & Gyr
ist eine elektromotorisch betriebene Antriebsvorrichtung für ein Stellglied
bekannt, welche einen Asynchronmotor, eine Speicherfeder, eine Kupplung
und ein Getriebe aufweist. Bei der Inbetriebnahme spannt der Asynchronmotor
die Speicherfeder, welche bei Stromausfall das Stellglied in eine
vorbestimmte Lage setzt. Eine Bewegung des Asynchronmotors zum Verstellen
des Stellgliedes schliesst immer eine Bewegung der Feder mit ein,
so dass der Asynchronmotor für
ein relativ grosses Drehmoment ausgelegt sein muss.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
eine Sicherheitsfunktion aufweisende Antriebsvorrichtung für ein Stellglied
vorzuschlagen, bei der zum Verstellen des Stellgliedes ein Reglermotor
mit einem relativ kleinen Drehmoment einsetzbar ist.
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Die Erfindung ist im Anspruch 1 angegeben Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert.
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Es zeigen:
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1 den
prinzipiellen Aufbau einer Antriebsvorrichtung,
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2 eine
Umschaltkupplung der Antriebsvorrichtung in einem ersten Zustand,
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3 ein
Detail der Umschaltkupplung,
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4 die
Umschaltkupplung in einem zweiten Zustand und
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5 eine
Anordnung mit Aufzugsmotoren der Antriebsvorrichtung.
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In der 1 bedeutet
1 eine Umschaltkupplung, die ein Kupplungsrad 2, ein Reglerrad 3 und
ein Notstellrad 4 aufweist. Das Reglerrad 3 ist über ein erstes
Getriebe 5 durch einen Regelmotor 6 antreibbar.
Das Notstellrad 4 ist über
ein zweites Getriebe 7 mit einem Aufzugsmotor 8 gekuppelt
und zudem starr an einem Federmotor 9 angeschlossen, so
dass der Federmotor 9 durch den Aufzugsmotor 8 spannbar ist.
Das Reglerrad 3 und das Notstellrad 4 sind vorteilhafterweise
als Zahnräder
ausgeführt.
Das Kupplungsrad 2 ist über
ein drittes Getriebe 11 an ein Stellglied 12 gekuppelt.
Bei Bedarf weist das Getriebe 11 auch eine Kupplung, beispielsweise
eine Reibungskupplung zur Begrenzung des maximal auf das Stellglied 12 übertragbaren
Drehmomentes auf.
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In einem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Umschaltkupplung 1 sind
das Kupplungsrad 2, das Reglerrad 3 und das Notstellrad 4 konzentrisch
zu einer Achse 13 und um die Achse 13 drehbar
angeordnet. Das Kupplungsrad 2, das Reglerrad 3 und
das Notstellrad 4 sind geschnitten dargestellt, wobei das
Reglerrad 3 und das Notstellrad 4 in der gleichen
Richtung schraffiert sind. Das Reglerrad 3 und das Notstellrad 4 weisen
Mitnehmerelemente 14 bzw. 15 für eine am Kupplungsrad 2 angeordnete
Schaltwippe 16 auf. Die Schaltwippe 16 ist mittels
Bolzen 17 am Kupplungsrad 2 befestigt und zwischen
den Mitnehmerelementen 14 des Reglerrades 3 und
den Mitnemerelementen 15 des Notstellrades 4 schwenkbar.
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Auf der Achse 13 ist eine
an der Achse 13 verdrehsicher fixierte Nabe 18 angeordnet,
welche einen Nocken 19 aufweist. Eine konzentrisch zur Achse 13 um
die Achse 13 drehbar angeordnete Schaltbüchse 20 weist
eine gewundene Nut 21 für den
Nocken 19 auf. Die gewundene Nut 21 ist so ausgebildet,
dass die Schaltbüchse 20 durch
Drehen der Schaltbüchse 20 je
nach dem Drehsinn, parallel zur feststehenden Achse 13 von
einer ersten Endlage in eine zweiten Endlage bzw. von der zweiten Endlage
in die erste Endlage verschiebbar ist.
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Zwecks Koppelung der Drehbewegung
der Schaltbüchse 20 an
die Drehbewegung des Notstellrades 4 weist die Schaltbüchse 20 einen
Mitnehmernocken 22 auf, der in eine am Notstellrad 4 ausgebildete,
parallel zur Achse 13 verlaufende gerade Nut 23 eingreift.
Die Schaltwippe 16 ist mit der Schaltbüchse 20 mit Vorteil
mittels einer Schaltfeder 24 so gekoppelt, dass die Schaltwippe 16 an
den Mitnehmerelementen 15 des Notstellrades 4 eingreift, wenn
die Schaltbüchse 20 in
der ersten Endlage ist bzw. dass die Schaltwippe 16 an
den Mitnehmerelementen 14 des Reglerrades 3 eingreift,
wenn die Schaltbüchse 20 in
der zweiten Endlage ist. In der 2 ist
die Schaltbüchse 20 in
der ersten Endlage gezeichnet, so dass die die Schaltwippe 16 an
den Mitnehmerelementen 15 des Notstellrades 4 eingreift,
wodurch das Kupplungsrad 2 an das Notstellrad 4 gekuppelt
ist.
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In einer vorteilhaften Ausführung der
Umschaltkupplung 1 ist die Schaltfeder 24 dem
Prinzip nach Ω-förmig ausgeführt und mit einer gewissen Vorspannung
zwischen die Schaltwippe 16 und die Schaltbüchse 20 eingefügt. Zwecks
Führung
der Schaltfeder 24 weist die Schaltbüchse 20 vorteilhaft eine ringförmige Nut 25 auf.
Die Achse 13 ist durch ein Halteelement 26 gegen
ein Verdrehen gesichert. Das Halteelement 26 ist beispielsweise
an einem nicht gezeichneten Gehäuse
der Antriebsvorrichtung angeordnet. Eine am Notstellrad 4 angeordnete Triebfeder 27 des
Federmotors 9 ist einseitig am Notstellrad 4 befestigt,
wodurch das Notstellrad 4 durch die Triebfeder 27 antreibbar
ist.
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In der 3 sind
das Reglerrad 3, das Kupplungsrad 2, die Schaltbüchse 20,
die Schaltfeder 24 und die Schaltwippe 16 noch
in der Draufsicht dargestellt. Die Schaltfeder 24 ist durch
Führungselemente 28a, 28b,
welche am Kupplungsrad 2 ausgebildet sind, am Kupplungsrad 2 abgestützt.
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Die 4 zeigt
die beschriebene Umschaltkupplung 1 mit der Schaltbüchse 20 in
der zweiten Endlage, so dass die Schaltwippe 16 an den
Mitnehmerelementen 14 des Reglerrades 3 eingreift,
wodurch das Kupplungsrad 2 an das Reglerrad 3 gekuppelt
ist.
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Bei einem Einschalten der zum Antreiben notwendigen
elektrischen Spannungen an den Regelmotor 6 und an den
Aufzugsmotor 8 ist das Verhalten der Antriebsvorrichtung
vom aktuellen Zustand der Umschaltkupplung 1 (1) abhängig. In einem ersten Einschaltbeispiel
ist die Umschaltkupplung 1 unmittelbar vor dem Einschalten
der elektrischen Spannungen in einem ersten Zustand, in welchem
das Kupplungsrad 2 mit dem Notstellrad 4 und damit
auch mit dem Aufzugsmotor 8 gekuppelt ist. Nach dem Einschalten
der Spannungen dreht der Aufzugsmotor 8 über das
zweite Getriebe 7 das Notstellrad 4 in einem ersten
Drehsinn entgegen der Federkraft des Federmotors 9, dass
heisst, entgegen der Federkraft der Triebfeder 27 (2), womit der Federmotor 9 aufgezogen
wird. Die im ersten Zustand der Umschaltkupplung 1 in der
ersten Endlage positionierte Schaltbüchse 20 verschiebt
sich durch das in ersten Drehsinn drehende Notstellrad 4 parallel
zur Achse 13 gegen die zweite Endlage hin. Nach Ablauf
eines vorbestimmten Drehwinkelbereiches, der von der Steigung der
gewundenen Nut 21 abhängig
ist, wird die zweite Endlage erreicht, wobei die Schaltwippe 16 auf
das Reglerrad 3 umgeschaltet wird. Mit Vorteil ist die
gewundene Nut 21 so ausgeführt, dass die zweite Endlage
nach weniger als einer Umdrehung des Notstellrades 4 erreicht
wird. Nachdem das Kupplungsrad 2 durch die Schaltwippe 16 auf
das Reglerrad 3 umgeschaltet ist, ist das Stellglied 12 (1) über den Regelmotor 6 verstellbar, während der
Federmotor 9 durch den Aufzugsmotor 8 weiter spannbar
ist.
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In einem zweiten Einschaltbeispiel
ist die Umschaltkupplung 1 unmittelbar vor dem Einschalten
der elektrischen Spannungen in einem zweiten Zustand, in welchem
das Kupplungsrad 2 mit dem Reglerrad 3 und damit
auch mit dem Reglermotor 6 gekuppelt ist, wobei die Schaltbüchse 20 (4) also in der zweiten Endlage
ist. Nach dem Einschalten der Spannungen dreht der Aufzugsmotor 8 über das zweite
Getriebe 7 das Notstellrad 4 im ersten Drehsinn
entgegen der Federkraft des Federmotors 9, dass heisst,
entgegen der Federkraft der Triebfeder 27 (2), womit der Federmotor 9 aufgezogen
wird. Die in der zweiten Endlage positionierte Schaltbüchse 20 bleibt
in der zweiten Endlage. Das Stellglied 12 ist über den
Regelmotor 6 verstellbar Bei einem Ausfallen der elektrischen
Spannung am Aufzugsmotor 8 wird das Notstellrad 4 durch
den Federmotor 9 entgegen dem ersten Drehsinn angetrieben,
wobei sich der Federmotor 9 oder anders ausgedrückt die
Triebfeder 27 (4)
entspannt. Die im zweiten Zustand der Umschaltkupplung 1 in
der zweiten Endlage positionierte Schaltbüchse 20 verschiebt
sich durch das entgegen dem ersten Drehsinn drehende Notstellrad 4 parallel
zur Achse 13 gegen die erste Endlage hin. Nach Ablauf des
vorbestimmten Drehwinkelbereiches, der von der Steigung der gewundenen
Nut 21 abhängig
ist, wird die erste Endlage erreicht, wobei die Schaltwippe 16 auf
das Notstellrad 4 umgeschaltet und damit die Umschaltkupplung 1 in
den ersten Zustand gesetzt wird. Das über die Umschaltkupplung 1 mit
dem Federmotor 9 gekuppelte Stellglied 12 wird
durch den sich entspannenden Federmotor 9 in eine für einen
Spannungsausfall vorbestimmte Lage gesetzt.
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Durch die Schaltfeder 24 ist
die Schaltwippe 16 schlagartig umschaltbar, womit ein Freilauf
beispielsweise des Kupplungsrades 2 vermeidbar ist.
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Der mit dem Aufzugsmotor 8 gekoppelte
Federmotor 9 hat bei Ausfall der elektrischen Spannungen
das Stellglied 12 in die vorbestimmte Lage zu setzen und
dabei das Rastmoment des Aufzugsmotors 8 zu überwinden.
Ist der Aufzugsmotor 8 beispielsweise ein gewisser Gleichstrommotor,
verläuft der
Wert des durch Dauermagnete hervorgerufenen Rastmomentes etwa sinusförmig, wobei
der Verlauf von der Polpaar-Zahl p und dem Drehwinkel ω abhängig ist.
Mit einer ersten Konstante K und einer zweiten Konstante k ist das
Rastmoment M(ω)
durch folgende Formel beschreibbar: M(ω) = K·sin (k·ω) Mit Vorteil ist der Aufzugsmotor 8 durch
zwei gleichartige Motoren 8a und 8b (5) verwirklicht, welche derart
versetzt am Notstellrad 4 angeordnet sind, dass die Momentanwerte
Ma bzw. Mb der Rastmomente der
beiden Motoren 8a und 8b genau komplementär sind.
In der gezeichneten Situation wirkt ein magnetischer Südpol eines
Polpaares eines ersten Motors 8a maximal, während ein
magnetischer Nordpol eines entsprechenden Polpaares eines zweiten
Motors 8b maximal wirkt. In einer vorteilhaften Ausführung der Antriebsvorrichtung
sind die beiden Motoren 8a und 8b derart versetzt
am Notstellrad 4 angeordnet, dass beim Drehen des durch
den Federmotor 9 angetriebenen Notstellrades 4 das
Rastmoment Ma des ersten Motors 8a den
Verlauf Ma = K·sin (k·ω) und das Rastmoment Mb des zweiten Motors 8b den Verlauf Mb = – K·sin (k·ω) aufweist.
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Dadurch, dass die Antriebsvorrichtung
für das
Stellglied 12 über
eine Umschaltkupplung 1 verfügt, mit der das Kupplungsrad 2 durch
Drehen des Notstellrades 4 betätigbar ist, ist ein vom Federmotor 8 mechanisch
entkoppelter Regelmotor 6 einsetzbar. Der Regelmotor 6 wird
durch den Federmotor 8 nicht belastet und ist damit für kleinere
Drehmomente auslegbar, wodurch der Regelmotor 6 in der
Beschaffung kostengünstig
und im Betrieb energiesparend ist. Da die Triebfeder 27 nicht
an die Bewegungen des Regelmotors 6 gekoppelt ist, bleibt
die Triebfeder 27 ausser beim Aufziehen des Federmotors 9 oder
beim Abschalten der elektrischen Spannung am Aufzugsmotor 8 ruhig
gestellt, was die Lebensdauer der Triebfeder 27 erhöht.