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Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb.
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Linearantriebe werden beispielsweise in der Ventiltechnik im Rahmen von Prozessautomation eingesetzt. Dabei wird in Ventilen üblicherweise ein Betätigungselement wie ein Kolben oder eine Klappe durch ein Antriebselement bewegt, sodass in Folge Fluidströme abgesperrt oder freigegeben werden können.
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In der Prozessautomation kommen häufig Prozessventile zum Einsatz, wobei als Antriebselemente Druckluft oder ein Elektromotor verwendet werden. Druckluft steht nicht überall zur Verfügung oder ist in manchen Applikationen unerwünscht. Bei Elektromotoren wird eine Übersetzung benötigt.
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Ventile, die auf alternativen Antriebskonzepten beruhen, beispielsweise thermostatische Antriebe, mit einem Formgedächtnislegierungselement oder einem Piezoelement arbeitende Antriebe, sind nur für miniaturisierte Ventile geeignet und können Standardprozessventile, wie sie in industriellen Prozessen benötigt werden, nicht ersetzen.
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Durch die Erfindung wird ein Linearantrieb für Ventile zur Verfügung gestellt, der eine einfache und kostengünstige Alternative zu elektromotorischen und pneumatischen Antrieben darstellt und mit dem hohe Kräfte und große Wege möglich sind.
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Außerdem kann im erfindungsgemäßen Linearantrieb auf einfache Weise eine Sicherheitsstellung angefahren werden.
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Der erfindungsgemäße Linearantrieb weist ein Gehäuse, eine axial beweglich und verdrehsicher im Gehäuse gelagerte Gewindestange, wenigstens eine Schiebereinheit und wenigstens ein Antriebselement auf, das die Schiebereinheit in einer Betätigungsebene quer zur Gewindestange und vorzugsweise linear bewegt, wobei die Schiebereinheit mehrere radial vorspringende, umfangsmäßig zueinander versetzte Abschnitte aufweist, welche bei Bewegung der Schiebereinheit abwechselnd in und außer Eingriff mit dem Gewinde der Gewindestange gelangen, und wobei bei Eingriff eines Abschnitts in das Gewinde die Gewindestange axial verschoben wird.
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Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass die Bewegungsrichtung des Linearantriebs, die die Längsrichtung der Gewindestange ist, nicht in der Betätigungsebene der Schiebereinheit liegt, sondern quer dazu. Bei bekannten Prozessventilen ist im Gegensatz dazu die Bewegungsrichtung des Linearantriebs häufig identisch mit der Bewegungsrichtung eines Betätigungselements wie zum Beispiel bei einem pneumatischen Prozessventil und seinem Antriebskolben, so dass sich bei erhöhtem Fluiddruck im Antriebskolben eine eventuell auftretende Klemmkraft verstärken würde. Falls sich dann die bewegten Teile unerwünscht verkanten sollten, würde die Funktion des Prozessventils stark beeinträchtigt werden, oder es könnte sogar ganz ausfallen. Beim erfindungsgemäßen Linearantrieb ist ein Verkanten der bewegten Teile praktisch ausgeschlossen oder zumindest mit Hilfe des mindestens einen Antriebselements jederzeit wieder leicht lösbar.
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In einer Ausführungsform weist die Schiebereinheit einen verglichen mit dem Querschnitt der Gewindestange größeren Durchbruch quer zur Betätigungsebene auf, durch den die Gewindestange ragt und von dessen Rand aus die vorspringenden Abschnitte radial einwärts ragen. So wird die Gewindestange von der Schiebereinheit in jeder denkbaren Position der Schiebereinheit umgeben. Durch Abstimmung des Hubes des Antriebselements zum Durchbruch und zum Durchmesser der Gewindestange ist sichergestellt, dass jedes Bewegen der Schiebereinheit quer zur Gewindestange immer zu einem Eingriff mit der Gewindestange führt. Die Schiebereinheit muss folglich nicht exakt radial und diametral in Bezug auf die Gewindestange angeordnet sein. Geringe Fehlausrichtungen verhindern nicht, dass die die Gewindestange umgebende Schiebereinheit die Gewindestange nicht kontaktieren würde. Dadurch wird das zueinander Positionieren von Schiebereinheit und Gewindestange auch bei miniaturisierter Bauweise sehr einfach.
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Das Verhältnis zwischen dem Querschnitt der Gewindestange, der Größe des Durchbruchs und der Kraft des mindestens einen Antriebselements bestimmt die Kraft/Wegverhältnisse des Linearantriebs. Durch konstruktive Änderungen dieser Komponenten kann so auf einfache Weise eine Vielzahl von Varianten erfindungsgemäßer Linearantriebe entsprechend der gewünschten Applikationen zur Verfügung gestellt werden.
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Die Schiebereinheit wird vorteilhafterweise so bewegt, dass die Abschnitte umlaufend nacheinander in und außer Eingriff mit der Gewindestange kommen, wodurch sich die Schiebereinheit jederzeit zumindest mit einem Abschnitt mit der Gewindestange in Eingriff befindet. So ist ein unerwünschtes, unkontrolliertes Auskoppeln von Schiebereinheit und Gewindestange erschwert, und die Gewindestange wie auch der Linearantrieb bewegen sich nicht sprunghaft, sondern fortlaufend gleichmäßig und kontinuierlich. Ein Auskoppeln findet nur beabsichtigt und kontrolliert statt, vorzugsweise zum Erreichen einer Sicherheitsstellung, was weiter unten im Detail beschrieben wird.
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Die Abschnitte sind axial zueinander versetzt und sind an die Geometrie des Gewindes der Gewindestange angepasst, was das Eingreifen der Schiebereinheit in die Gewindestange ermöglicht.
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In einer weiteren Ausführungsform ergänzen sich die Abschnitte zu einem Ring, vorzugsweise wobei mehrere Ringe vorhanden sind, deren axialer Abstand der Steigung des Gewindes der Gewindestange entspricht. Eine Schiebereinheit, die einen oder mehrere Ringe umfasst, kann einfach und kostengünstig hergestellt werden.
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Der oder die Ringe können Abschnitte aufweisen, die sich zu einem geschlossen umlaufenden radialen Fortsatz ergänzen.
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Die Schiebereinheit kann beispielsweise einstückig durch einen Körper, ähnlich einer Vier- oder Mehrkantmutter, was ihren Außenumfang betrifft, ausgebildet sein, die anstatt eines Innengewindes ringförmige axial übereinanderliegende radiale Vorsprünge aufweist. Die Außenflächen dienen dann als Angriffsflächen für die Antriebselemente.
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Die Ringe sind zum Beispiel einfach aufeinandergestapelt und in einem Gehäuse aufgenommen, was die Herstellung vereinfacht.
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Außerdem wird durch diese ringförmige Geometrie, bei der die Schiebereinheit mindestens einen umlaufenden, vorspringenden Abschnitt aufweist, das Risiko, dass während des Bewegungsvorgangs eventuell die Schiebereinheit mit einem Abschnitt ohne Vorsprung auf die Gewindestange treffen könnte, vollständig ausgeschlossen.
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Vorteilhafterweise weist die Schiebereinheit einen zentralen Schieberkörper auf, der die radial vorspringenden Abschnitte besitzt und der durch die Antriebselemente in verschiedene, insbesondere radiale Richtungen verschoben wird. Ein zentraler Schiebekörper begünstigt eine sehr kompakte Bauweise des Linearantriebs.
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In einem Linearantrieb gemäß der Erfindung werden die Antriebselemente nacheinander betätigt, und zwar bezogen auf die Umfangsrichtung nacheinander, um den Schieberkörper zu bewegen. Dabei werden durch die Betätigungsreihenfolge im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn die möglichen Bewegungsrichtungen „auf” oder „ab” des Linearantriebs bestimmt.
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Die Antriebselemente können ein proportionales Ansteuerverhalten aufweisen. Mit Abschalten eines Antriebselements kann gleichzeitig das zu dieser benachbarte und das dieser gegenüberliegende Antriebselement zueinander Zeit versetzt und mit ansteigender Energie betätigt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Schieberkörper auf vorgegebene Wegen auf einer Führungsplatte verschiebbar gelagert, wodurch eine effektive Kraftübertragung zwischen den Antriebselementen und der Schiebereinheit ermöglicht wird. Die Führungsplatte und die Schiebereinheit werden bezüglich ihrer Kontaktflächen so ausgelegt, dass zwischen diesen minimale Reibung auftritt.
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Bewegungsstrecken, längs denen der Schieber bewegbar ist, werden bevorzugt in der Führungsplatte als Führungsausnehmungen ausgebildet, denn Führungsausnehmungen lassen sich konstruktiv leicht realisieren und herstellen.
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Die Führungsplatte weist in einer bevorzugten Ausführungsform für die Schiebereinheit Wegbegrenzungen auf. Die Wegbegrenzungen können aber auch in den Antriebselementen vorgesehen werden, oder sie sind an Koppelelementen angeordnet, die sich zwischen der Schiebereinheit und den Antriebselementen zur Krafteinleitung befinden.
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Diese Wegbegrenzungen lassen sich besonders einfach realisieren, wenn sie als Stifte in der Führungsplatte ausgeführt sind.
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Die Antriebselemente sind vorzugsweise als Elektromagnete ausgebildet. Das erfindungsgemäße Antriebsprinzip kann aber auch mit allen anderen bekannten Antriebselementen umgesetzt werden und ist nicht auf Elektromagnete beschränkt. Die Wahl der Antriebselemente wird optimaler Weise auf die gewünschte Applikation abgestimmt.
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Jeder Elektromagnet umfasst vorzugsweise ein linear bewegbares Betätigungselement, wobei ein Ende des Betätigungselements vom Elektromagnet umgeben ist und ein diesem gegenüberliegendes Ende aus dem Elektromagnet herausragt. Derartige Elektromagnete sind bekannt als Aktoren für Magnetventile und sind genauso anwendbar für den erfindungsgemäßen Linearantrieb, wodurch der besonders große Vorteil entsteht, dass beim Einsatz dieses Linearantriebs für Prozessventile gleiche Elektromagnete als identische Bauteile für diese beiden unterschiedlichen Ventiltypen verwendet werden können.
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Das aus dem Elektromagnet herausragende Ende des Betätigungselements greift an einer Außenwand der Schiebereinheit an. Dabei kann das aus dem Elektromagnet herausragende Ende des Betätigungselements in direktem Kontakt mit der Außenwand der Schiebereinheit treten, oder es kann ein Koppelelement und/oder auch ein Dämpfungselement dazwischen geschaltet sein.
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In einer vorteilhaften Weiterentwicklung werden die Elektromagnete durch eine Steuerung betätigt, und es ist mittels der Steuerung eine Betätigungsreihenfolge der Elektromagnete einstellbar, die die Bewegungsrichtung der Gewindestange definiert.
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Es ist besonders günstig, dass bei gleichzeitiger Betätigung der Antriebselemente die Schiebereinheit aus der Gewindestange ausgekuppelt wird. Die Möglichkeit des Auskuppelns ist vor allem als Sicherheitsstellung bei einem eventuell auftretenden Störfall, wie z. B. einem Ausfall der Betriebsspannung, unter Verwendung einer Hilfskraft relevant und wird hier sehr einfach erreicht. Eine Sicherheitsstellung wird häufig bei Prozessventilen gefordert. Hier soll im Störfall garantiert sein, dass das Ventil in eine geschlossene Position fährt. Sicherheitsstellungen sind in herkömmlichen Prozessventilen nur kostenintensiv und aufwändig realisierbar.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische Radialschnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearantriebs für ein Ventil;
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2 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearantriebs;
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3 eine Längsschnittansicht durch die Schiebereinheit und Gewindestange des Linearantriebs entsprechend 2;
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4 eine Radialschnittsansicht durch die in 3 dargestellte Schiebereinheit;
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5 eine diagonale Längsschnittansicht längs der Linie V-V in 2;
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6 eine Draufsicht auf den Linearantrieb nach 2; und
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7 ein Diagramm des Bewegungsablaufs des erfindungsgemäßen Linearantriebs über der Zeit.
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In 1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearantriebs 10 quer zu seiner in die und aus der Zeichenebene verlaufenden Bewegungsrichtung dargestellt. Der Linearantrieb 10 umfasst eine Gewindestange 12, eine Schiebereinheit 14 und vier Antriebselemente 15a–d mit je einem Betätigungselement 16a–d.
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Die Gewindestange 12 ist axial beweglich und verdrehsicher in einem Gehäuse 24 (siehe 2) gelagert, das unter anderem stangenartige Halterungen aufweist.
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Die Schiebereinheit 14 kann aus einem zentral im Antrieb sitzenden Schieberkörper gebildet sein.
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Die Schiebereinheit 14 ist im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet und weist einen zentralen Durchbruch 17 auf, durch den die Gewindestange 12 ragt. Selbstverständlich kann die Schiebereinheit 14 auch andere, nicht quaderförmige Geometrien aufweisen. Der Querschnitt des Durchbruchs 17 der Schiebereinheit 14 ist größer als der Querschnitt der Gewindestange 12, insbesondere mehr als doppelt so groß.
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Die Schiebereinheit 14 ist in einer Betätigungsebene (Zeichenebene) quer zur Gewindestange 12 linear bewegbar angeordnet. Die vier Antriebselemente 15a–d liegen mit ihren Betätigungselementen 16a–d in derselben Betätigungsebene quer zur Gewindestange 12. Die Antriebselemente 15a–d umgeben die Betätigungselemente 16a–d abschnittsweise, wobei jeweils ein Ende der Betätigungselemente 16a–d aus den Antriebselementen 15a–d herausragt und an die Schiebereinheit 14, zum Beispiel an eine von vier Außenwänden der Schiebereinheit 14 gekoppelt ist.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform liegen die Antriebselemente 15a–d und Betätigungselemente 16a–d je 90° versetzt zueinander und somit paarweise einander gegenüber.
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Die Betätigungselemente 16a–d sind ebenfalls in der Betätigungsebene quer zu Gewindestange 12 linear bewegbar.
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Die Antriebselemente 15a–d können beispielsweise als Elektromagnete mit Magnetspulen ausgebildet sein. Dann sind die Betätigungselemente 16a–d aus weichmagnetischem Material gefertigt, bilden Anker und werden bei Strombeaufschlagung des Elektromagneten von diesem angezogen. Zusätzlich können Federelemente vorgesehen werden, die mit den Betätigungselementen 16a–d zusammenwirken.
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Am Durchbruch 17 der Schiebereinheit 14 ist wenigstens ein radial einwärts ragender, umlaufender und damit als geschlossener Ring ausgeführter Vorsprung 18 angeordnet, wobei die Geometrie des Vorsprungs 18 an die Gewindesteigung der Gewindestange 12 angepasst ist. In 3, die eine andere Ausführungsform zeigt, ist zu sehen, dass der Vorsprung 18 im Querschnitt gesehen konisch zuläuft, um zwischen benachbarte Gänge eindringen zu können. Auch der Winkel des Konus, mit dem der Vorsprung zuläuft, ist an die Flankenwinkel des Gewindes der Gewindestange 12 angepasst, um eine Linien- oder Flächenberührung und keine Punktberührung zu gewährleisten. Jeder Vorsprung 18 besteht aus mehreren Abschnitten 19, wobei bei den gezeigten Ausführungsformen die Abschnitte 19 in Umfangsrichtung abstandsfrei ineinander übergehen. Alternativ hierzu wäre es jedoch auch möglich, Abschnitte 19 durch Spalte voneinander zu trennen. Es können auch mehrere, axial übereinanderliegende Vorsprünge 18 am Durchbruch 17 angeordnet sein, wie es in der zweiten Ausführungsform nach 3 realisiert ist. Dann entspricht der axiale Abstand zwischen den einzelnen Vorsprüngen der Steigung des Gewindes der Gewindestange (siehe 3). Außerdem ist es auch möglich, einen nicht umlaufenden Vorsprung vorzusehen, bei dem nur Abschnitte 19 des Vorsprungs 18 ausgebildet sind, die umfangsmäßig voneinander beabstandet sind.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise des in 1 dargestellten Linearantriebs 10 beschrieben:
Zwei sich gegenüberliegende Antriebselemente 15a, 15c (in 1 oben und unten) sind in einer nicht bestromten Ausgangsposition dargestellt, in der die Betätigungselemente 16a, 16c eine mittlere Position einnehmen. Die Enden dieser Betätigungselemente 16a, 16c, die an entgegengesetzten Außenwänden der Schiebereinheit 14 gekoppelt sind, weisen einen im Wesentlichen gleich großen radialen Abstand zur Gewindestange 12 auf.
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Eine Magnetspule des Antriebselements 15b (in 1 rechts) ist mit Strom beaufschlagt, sodass das von dieser Magnetspule umgebene Betätigungselement 16b angezogen wird, wobei alternativ dazu abhängig von der gewünschten Verschieberichtung der Gewindestange 12 das benachbarte Antriebselement 15a oder 15c auch bestromt sein kann, um die Verschiebebewegung der Schiebereinheit 14 nach rechts zu unterstützen. Diese Unterstützung erfolgt dadurch, dass der Vorsprung 18 sowie die Gewindestange 12 kreisförmig sind und ein Kontakt der Kreisgeometrien zu einer Keilwirkung führen kann, die eine Kraftkomponente senkrecht zur Bewegungsrichtung der jeweiligen Antriebselemente 15a–d erzeugt. Dabei wird das benachbarte Antriebselement 15a oder 15c entweder zeitverzögert mit Strom beaufschlagt oder gleichzeitig mit niedrigerer Stromstärke. Dadurch wird die Schiebereinheit 14 quer zur Gewindestange 12 in Richtung zur bestromten Magnetspule 15b verschoben, sodass ein Abschnitt 19 des Vorsprungs 18 der Schiebereinheit mit der Gewindestange 12 in Eingriff gelangt. Dieser Abschnitt 19 des Vorsprungs 18, der mit der Gewindestange 12 in Eingriff steht, ist zu einer Außenwand der Schiebereinheit 14 benachbart, die auf der dem aktivierten Betätigungselement 16b entgegengesetzten Seite der Schiebereinheit 14 liegt.
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Durch die Bewegung der Schiebereinheit 14 in Richtung zur bestromten Magnetspule 15b wird gleichzeitig das Betätigungselement 16d, das mit einem Ende an eine ihm gegenüberliegende Außenwand der Schiebereinheit 14 gekoppelt ist, in dieselbe Richtung gezogen. Das Ende des Betätigungselements 16d ragt weiter aus der Magnetspule 15d heraus als die Enden der Betätigungselemente 15a und 15c, die sich noch unverändert in der Ausgangsposition befinden.
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Danach werden in Umfangsrichtung nacheinander die Magnetspulen der Antriebselemente 15c, 15d und 15a mit Strom beaufschlagt, wobei dabei die Magnetspule 15b abgeschaltet ist, sodass umlaufend immer ein Abschnitt 19 des Vorsprungs 18 der Schiebereinheit 14 mit der Gewindestange in Eingriff steht.
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Der Vorsprung 18 wandert sozusagen in oder gegen den Uhrzeigersinn im Gewinde, ohne mit dem Gewinde außer Eingriff zu kommen, wobei sich hierzu die Bewegungen der senkrecht zueinander stehenden Antriebsspulen 15a, 15c zu 15b, 15d überlagern. Die kreisförmige Bewegung der Schiebereinheit 14 ist ähnlich einer Orbitalbewegung.
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Die Bewegungsabfolge der Schiebereinheit 14 bewirkt eine axiale Verschiebung der Gewindestange 12.
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Die Bewegung der Betätigungselemente 16a–16d kann durch Federn unterstützt werden.
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Außerdem können Antriebselemente eingesetzt werden, die umgekehrt funktionieren, das heißt, dass bei Strombeaufschlagung die Betätigungselemente von den Antriebselementen wegbewegt werden. Denkbar sind auch Antriebselemente in Impulsausführung.
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In einer weiteren Ausführungsform (siehe ebenfalls 1) wird ein Betätigungszyklus der Magnetspulen durch eine elektronische Steuerung 39 gesteuert. Dabei können Magnetspulen mit einem Proportionalverhalten verwendet werden. Mit Abschalten einer Magnetspule werden eine zu dieser benachbarten Magnetspule und die zur gleichen gegenüberliegenden phasenversetzt eingeschaltet. Dadurch wird ein rundes Bewegungsverhalten erreicht.
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Bei gleichzeitiger Bestromung aller Antriebselemente 15a–d wird die Schiebereinheit 14 aus der Gewindestange 12 ausgekuppelt. In dieser Schaltstellung ragen alle Enden der Betätigungselemente 16a–d gleich weit aus den Antriebselementen 15a–d, in der hier beschriebenen Ausführungsform den Magnetspulen, heraus, sodass die Gewindestange 12 konzentrisch zum kreisförmigen Durchbruch 17 steht.
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Das Auskuppeln bewirkt, dass die Gewindestange 12 schnell in eine gewünschte Endstellung fährt und dabei beispielsweise ein Ventilsitz eines mittels des erfindungsgemäßen Linearantriebs 10 betriebenen Prozessventils geschlossen wird. Diese Auskuppelfunktion gewährleistet so im Bedarfsfall das Anfahren einer Sicherheitsstellung.
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In 2 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Teils eines erfindungsgemäßen Linearantriebs 10 dargestellt, wobei die Antriebselemente 15a–d samt Betätigungselementen 16a–d zur Vereinfachung nicht dargestellt sind.
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Die Schiebereinheit 14 ist zwischen zwei parallelen voneinander beabstandeten Führungsplatten 40 angeordnet, die zum Beispiel senkrecht zur Gewindestangenachse verlaufen.
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Die Führungsplatten 40 weisen jeweils einen zentralen Durchbruch 20 auf, wobei die Durchbrüche 20 zueinander fluchten und von der Gewindestange 12 durchragt werden. Die Platten 40 sind über Befestigungsmittel 22 in einem Gehäuse 24 angeordnet, das durch Stangen symbolisiert ist.
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An einem Ende der Gewindestange 12 ist diese mit einer Halterung 21 verbunden, die eine Verdrehung der Stange 12 verhindert und durch die Stangen des Gehäuses 24 verlaufen, um eine axiale Verschiebbarkeit der Halterung 21 bei Verschieben der Gewindestange 12 zu ermöglichen.
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Die Schiebereinheit 14 weist zusätzlich im Vergleich zur ersten Ausführungsform Koppelelemente 25a, b auf, an denen die Betätigungselemente 16a–d angreifen. Die Antriebselemente 15a–d und Betätigungselemente 16a–d sind in 2 nicht dargestellt, sind aber wie in 1 ausgeführt. Die Koppelemente 25a, b sind zum Beispiel als zwei Schlitten ausgeführt, zwischen denen die Schiebereinheit 14 angeordnet ist und die in Führungsausnehmungen 42 innerhalb der Führungsplatten 40 verschiebbar angeordnet sind. Die Schlitten können auch von Hand betätigt werden. Jedes Koppelelement 25a, b hat dabei seine zugeordnete Führungsausnehmung 42 in seiner Führungsplatte 40.
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Jeder Schlitten 25a, b der zweiten Ausführungsform wird an zwei sich gegenüberliegenden Außenwänden an zwei Antriebselemente gekoppelt.
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Es sind aber auch Ausführungsformen ohne Schlitten denkbar. Die Schiebereinheit 14 kann beispielsweise an ihren Außenwänden mit den Koppelelementen 25a, b verbunden sein, oder die Außenwände der Schiebereinheit 14 gehen in die Koppelelemente 25a, b über. Denkbar ist auch, die Koppelelemente 25a–d und die Betätigungselemente 16a–d jeweils einteilig auszuführen.
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Die Koppelelemente 25a, b weisen an zur Schiebereinheit 14 benachbarten Seitenflächen Wegbegrenzungen 44 auf. Die Wegbegrenzungen 44 sind gemäß der zweiten Ausführungsform als Stifte ausgeführt, die die Schiebereinheit 14, ihren Außenwänden paarweise gegenüberliegend, in der Betätigungsebene umgeben.
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Die Wegbegrenzungen 44 können aber auch in einer anderen Form ausgeführt sein. Sie stellen sicher, dass die Schiebereinheit 14 zwischen den Führungsplatten 40 auf den vorgegebenen und durch sie begrenzten Wegen verschiebbar ist. Die Wegbegrenzungen 44 wirken nur in der Verschieberichtung ihres zugeordneten Koppelelements 25a oder 25b. Quer zu dieser Verschieberichtung lässt sich die Schiebereinheit 14 entlang der Wegbegrenzungen 44, die in dieser Richtung als Führungen wirken, bewegen.
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Bezogen auf 2 bedeutet das zum Beispiel Folgendes. Die Wegbegrenzungen 44 auf den entgegengesetzten Seiten der Schiebereinheit 14 grenzen spielfrei oder nahezu spielfrei an die Schiebereinheit 14 an. Wird beispielsweise das Koppelelement 25a bezogen auf 2 nach rechts verschoben, so nehmen die am Koppelelement 25a links von der Schiebereinheit 14 vorgesehenen Wegbegrenzungen 44 die Schiebereinheit 14 nach rechts mit. Unabhängig von der Position des Koppelelements 25a kann jedoch die Schiebereinheit 14 durch Bewegung des Koppelelements 25b senkrecht zur Bewegungsrichtung des Koppelelements 25a, das heißt schräg nach vorne oder schräg nach hinten (mit Bezug auf 2) bewegt werden. Hier wirken dann die Wegbegrenzungen 44, die auf der Unterseite des Koppelelements 25b vorstehen und die auf entgegengesetzten Seiten der Schiebereinheit 14 angreifen.
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Die Schiebereinheit 14 liegt vorzugsweise also beweglich zwischen paarweise gegenüberliegenden Wegbegrenzungen, die auf zwei senkrecht zueinander beweglichen, an entgegengesetzten axialen Enden der Schiebereinheit 14 angrenzenden Koppelelementen 25a und 25b vorhanden sind.
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Alternativ zu den als Zapfen abstehenden Wegbegrenzungen 44 könnte jedes Koppelelement 25a und 25b auch eine Aufnahmenut quer zu ihrer Bewegungsrichtung besitzen, in der die Schiebereinheit 14 aufgenommen ist.
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Alternativ hierzu sind natürlich auch Nut-Federverbindungen oder dergleichen denkbar.
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Greifen die Antriebselemente 15a–d ohne zwischengeschaltete Koppelelemente 25a, b direkt an den Außenwänden der Schiebereinheit 14 an, so können die Wegbegrenzungen 44 alternativ auch in den Führungsplatten 40 vorgesehen werden.
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Der Aufbau der Schiebereinheit 14 ist in den 3 und 4, entsprechend der zweiten Ausführungsform, im Detail dargestellt. Die Schiebereinheit 14 umfasst mehrere identische, konzentrisch aufeinander gestapelte Ringe 26, wobei der Stapel in einer Halterung 28 an seinen Außenrändern fest zu einer Einheit verbunden ist. Die Ringe 26 werden also als Einheit gemeinsam miteinander und mit der Halterung 28 verschoben und sind nicht gegeneinander verschiebbar.
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Es ist auch möglich, die Schiebereinheit 14 einstückig, ohne eine separate Halterung 28 vorzusehen.
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Wie in der Schnittansicht gut erkennbar, verjüngen sich die Ringe 26 radial zur Mitte hin, sodass sich von jedem Ring 26 ein Vorsprung 18 radial einwärts erstreckt. Die Vorsprünge 18 sind an die Geometrie des Gewindes der Gewindestange 12 angepasst und können in Eingriff mit dem Gewinde der Gewindestange 12 gebracht werden.
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Jeder Vorsprung 18 wird durch einstückig miteinander verbundene, umfangsmäßig ineinander übergehende Abschnitte 19 gebildet. Der axiale Abstand zwischen den Ringen 26 entspricht der Steigung des Gewindes der Gewindestange 12.
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Die Schiebereinheit 14 kann auch nur einen einzigen Ring 26 umfassen, oder sie kann mehrere radial vorspringende umfangsmäßig zueinander versetzte Abschnitte 19 aufweisen.
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Wesentlich ist, dass Abschnitte 19 der Vorsprünge 18 der Schiebereinheit 14 bei Bewegen der Schiebereinheit 14 quer zur Gewindestange 12 in und außer Eingriff mit der Gewindestange 12 bringbar sind und dabei die Gewindestange 12 axial verschoben wird.
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5 und 6 zeigen eine diagonale Längsschnittansicht bzw. eine Draufsicht der zweiten Ausführungsform des Linearantriebs entsprechend der 2.
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In 5 ist besonders gut erkennbar, dass die Führungsplatten 40, zwischen denen die Schiebereinheit 14, wie bereits bei 2 beschrieben, verschiebbar angeordnet ist, die Führungsausnehmungen 42 aufweisen. Durch die Führungsausnehmungen 42 sind die möglichen Verschiebewege der Schiebereinheit 14 festgelegt.
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In dieser diagonalen Längsschnittansicht erscheint eine Stange des Gehäuses 24 unterhalb der Gewindestange 12. Die Stange des Gehäuses 24 liegt räumlich gesehen hinter der Gewindestange 12.
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Die Gewindestange 12 ist, wie gesagt, zu ihrer Verdrehsicherung mit der Halterung 21 fest verbunden. Die Halterung 21 macht die lineare Bewegung (in 5, in Papierebene nach oben und unten) der Gewindestange 12 mit.
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6 zeigt eine Draufsicht auf die Ausführungsform des Linearantriebs 10 von 2. Die zwei identischen Führungsplatten 40 weisen quadratische Grundflächen auf. Sie sind parallel und voneinander beabstandet übereinander angeordnet. Die Befestigungsmittel 22 sind nahe den Ecken der Führungsplatten 40 angeordnet. Die Koppelelemente 25a, b, die wie oben beschrieben, als zwei Schlitten ausgeführt sind, sind 90° zueinander stehend zwischen den Führungsplatten 40 montiert. Jeder Schlitten ist dazu ausgelegt, an seinen beiden Enden jeweils mit einem Antriebselement (in 6 nicht dargestellt) zusammenzuwirken.
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Es können stattdessen aber auch vier separate Koppelelemente verwendet werden. Die hochsymmetrische Geometrie der Führungspatten 40 ist beispielhaft und für die Funktion des erfindungsgemäßen Linearantriebs nicht relevant.
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In 6 ist die Auskuppelsituation gezeigt, da die Enden der Koppelelemente alle den gleichen Abstand zu der Führungsplatte 40 aufweisen.
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Die zweite Ausführungsform funktioniert auf die gleiche Weise wie die erste Ausführungsform. Ein möglicher Bewegungsablauf der sich im Linearantrieb 10 bewegenden Teile ist in 7 grafisch über einer Zeitachse t dargestellt. Die Kurven x und y beschreiben die Bewegung der beiden Schlitten 25a, b.
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Die Gerade z zeigt den linearen Bewegungsverlauf der Gewindestange 12. Zum Zeitpunkt t0 befindet sich die Gewindestange 12 in ihrer Ausgangsposition und wird während der Zeit t kontinuierlich in die Position z(t) linear verfahren.
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Zur Zeit t0 ist der Schlitten 25a in seiner Mittelposition y = 0, während sich der Schlitten 25b in seiner ersten Endlage xmax befindet.
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Zum Zeitpunkt t1 befindet sich der erste Schlitten 25a in seiner ersten Endlage ymax und der Schlitten 25b in seiner Mittelposition x = 0.
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Zur Zeit t2 ist der Schlitten 25a wieder in seiner Mittelposition y = 0, während der Schlitten 25b seine zweite Endlage xmin einnimmt. Die Kurven x, y folgen phasenversetzten Sinusfunktionen.
