DE2831500C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen motorbetriebenen Linear­ betätiger gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Gemäß der US-PS 34 57 479 ist bereits ein Linearbetätiger mit den Merkmalen des Oberbegriffs bekannt, bei dem eine mittels Motoren angetriebene Spin­ del verwendet wird, wobei vier Rotoren der Motoren 22a, 22b, 22c, 22d direkt die Spindel 14 rotieren lassen, um einen sich linear bewegenden Gewindering anzutreiben.

Aus der US-PS 40 00 661 ist ebenfalls ein Linearbetä­ tiger bekannt, bei dem über einen Elektromotor 56 mittels eines Schaftes 28 eine Spindel 14 innerhalb einer Hohlspindel 16 angetrieben wird.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es nun Auf­ gabe der Erfindung, einen motorbetriebenen Linearbe­ tätiger zu schaffen, der sich durch eine stabile Bau­ art und eine einfache Veränderbarkeit des Hubes auszeichnet und der auch bei Motorausfall Sicherheit gewährleistet, wenn z. B. aus zeitlichen Gründen ein Motoraustausch nicht möglich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1.

Vorzugsweise Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnungen erläutert werden. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch den zu beschreibenden Linearbetätiger,

Fig. 2 den Linearbetätiger im Schnitt an der Linie 2-2 der Fig. 3,

Fig. 3 bzw. 4 eine Seitenansicht und Endansicht des Linearbetätigers,

Fig. 5 einen Teilschnitt an der Linie 5-5 der Fig. 4,

Fig. 6 ein Blockdiagramm der Schaltung für den Linearbetätiger,

Fig. 7 eine Ausführungsform der Schaltung für den Linearbetätiger,

Fig. 8 eine andere Ausführungsform der Schaltung für den Linearbetätiger, die Relais enthält, und

Fig. 9 die Schaltung der Relaissteuerung nach Fig. 8.

Die motorische Kraft besteht aus zwei Motoren (Elektromo­ tor) 11. Diese Motoren haben Permanentmagnete aus Samariumkobalt (seltene Erde). Jeder Motor 11 kann ein Spitzendrehmoment von 14,4 cm · kg aufweisen und besitzt ein Drehvermögen zum Antrieb der ganzen Einrichtung und ihrer Belastung, wenn der andere Motor 11 ausfällt. Die Motoren 11 sind so konstruiert, daß sie über den besonderen Arbeitsumge­ bungsbetrieb ihr volles Überziehdrehmoment aushalten.

Die Motoren 11 sind in einem Gehäuse 10 über ein Differentialgetriebe mitein­ ander gekuppelt, das aus zwei Kegelrädern 12 besteht, die sich entsprechend mit beiden Motorläufern 14 drehen und mit Planetenrädern 15 kämmen, die sich auf Stiften 16 drehen, die in einer Gewindehülse 13 radial angeordnet sind. Wenn einer der beiden Motoren 11 ausfällt, dreht der andere Motor 11 die Ge­ windehülse 13 mit der Hälfte der Geschwindigkeit, die für den vollen Antrieb bestimmt ist.

Die Gewindehülse 13 treibt eine Spindel 17 an, die durch ei­ nen rechteckigen Abschnitt (Schaft) 18 am Drehen gehindert wird. Dieser Abschnitt 18 führt durch einen entsprechenden Anschnitt im normalerweise stationären Kegel­ rad 19 eines Handbetriebes (Nothandantrieb) 20. Die Drehung der Gewindehülse 13 um die Spindel 17 verursacht eine Axialbewegung eines Teils 21, der eine Verlän­ gerung der Spindel 17 bildet.

Wenn beide Motoren 11 nicht betriebsfähig sind, kann die Spindel 17 durch den Handantrieb 20 ausgefahren oder zurückgezogen werden. Der Handan­ trieb 20 ist normalerweise durch einen Stift 27 in einer Nut im Gehäuse 10 blockiert.

Der Handantrieb 20 enthält eine Buchse mit einem Stirnrad 22, das mit einem Ritzel 23 kämmt, das am Kegelrad 24 befestigt ist, welches mit dem stationären Kegelrad 19 kämmt, durch das der rechteckige Abschnitt 18 die Spindel 17 gleitet. Der Antrieb erfolgt durch Einsetzen eines Inbus-Schlüssels in ein Sechs­ kantloch 25 der Buchse des Handantriebs 20. Durch Drücken der Buchse nach innen gegen eine Feder 26 wird der Sperrstift 27 aus seiner Nut gelöst und somit kann sich der Zahnradsatz 22, 23, 24, 19 drehen. Dadurch wird wiederum der eine Teil 21 der Spindel 17 ge­ dreht, wodurch diese sich aus der Gewindehülse 13 ein- oder herausschraubt und somit die Möglichkeit zur Handein­ stellung der Spindel 17 ergibt.

Damit sich die Spindel 17 drehen kann, ist sie am Kegelrad 19 getrennt. Die beiden Hälf­ ten 17, 21 sind aber durch eine Kugelkäfigverbindung 28 verbunden, die das Drehen der Spindel 17 gegenüber dem Teil 21 der Spindel 17 ohne Einfluß auf die Gleitbewegung ermöglicht. Das Hand­ antriebsverhältnis ist vier zu eins. Dies erfordert etwa drei bis drei Viertel Umdrehungen des Inbus-Schlüssels, um den Linearbetätiger über den ganzen Hub auszuführen oder einzuziehen.

Der gesamte Linearbetätiger ist in einem bearbeitetem Gehäuse (Alu­ miniumgehäuse) 10 untergebracht, das in zwei Kammern 29 und 30 unterteilt ist, von denen jede durch einen Deckel 31 zugänglich ist. Die hintere Kammer 29 enthält die Motoren 11, die Motorsperre und das Differential­ getriebe, das die Spindel 17 antreibt.

Die Sperrvorrichtung enthält Solenoide 32, die in der vorderen Kammer 30 untergebracht und in Serie mit den Motoren 11 geschal­ tet sind, so daß bei Stromfluß durch die Motorankerkreise die Solenoide 32 erregt werden und die Sperren aufgehoben werden, wodurch sich die Motoren 11 frei drehen können. Bei Ausfall eines Motors 11 ergibt dies das Anlegen der jeweiligen Sperre und damit eine Blockierung des Motors 11.

Die Arbeitsweise der Sperren ist folgende:

Nach Erregung der Solenoide 32 einer Sperrvorrichtung werden Magnetanker 33 mit Köpfen 36 (Fig. 5) gegen Federn 34 zurückgezogen. Dadurch werden die Köpfe 36 aus dem Eingriff mit Kugeln 37 gezogen und die Ku­ geln 37 können sich in Richtung auf den Magnetanker 33 bewegen, wodurch diese Sperrkolben 38 von der Verzahnung 39 der Motor-Rotoreinheit gelöst werden.

Schaltfehler bewirken, daß die Magnetanker 33 unter der Wir­ kung der Federn 34 herausgezogen werden, die wiederum Nockenflächen 40 der Köpfe 36 die Kugeln 37 gegen die Sperr­ kolben 38 drücken und die Sperren in Eingriff bringen. Die Solenoide 32 besitzen nur eine geringe Indukti­ vität im Vergleich mit der des Magnetankers 33. Der Linearbetätiger arbeitet nach einem geschlossenen Servoschleifensystem.

Das primäre Ziel des Servosystems ist es, mit einem einzigen Linearbetätiger einen großen Hubbereich abzudecken. Der Wechsel eines austauschbaren Wider­ standes ist die einzige Abänderung, die notwendig ist, um einen einzelnen Linearbetätiger verschiedene Hublängen aus­ führen zu lassen. Der jeweilige austauschbare Widerstand ist in einer Stecker-Sockelanordnung der Anlage enthalten.

Zum Ausführen des Servosystems wird von einem Potentiometer 41 (Fig. 2 und 6), das aus ei­ nem Schleifer 42 und einer auf einer Karte mit gedruckter Schaltung aufgebrachten Widerstandsbahn 43 besteht, in bezug auf den einen Teil 21 der Spindel 17 eine Lageinformation gegeben. Es sind zwei ähn­ liche Potentiometer vorgesehen, um einen ununterbrochenen Betrieb auch bei Ausfall eines Servosystems sicher zu stel­ len. Die Widerstandsbahn 43 wird von einer stabilisierten Spannungsquelle 44 (Fig. 7) gespeist. Ein austauschbarer Widerstand 45 liegt in Serie mit der Widerstandsbahn 43, so daß die jeweilige Spannung, die für die­ selbe Spindellage erzeugt wird, entsprechend dem Wert des angepaßten Widerstandes abweicht.

Das Rückkopplungssignal eines jeden Potentiometers 41 wird als Istwert bei 46 mit dem Eingangsbefehlssignal an 47 als Sollwert verglichen, um ein Differenz- oder Fehlersignal zu erhalten. Eine Leistungsverstärkerstufe 48 speist den entsprechenden Motor 11 in der gewünschten Richtung, um das Fehlersignal auf Null zu bringen.

Die Elektronik ist zum Einbringen in das Gehäuse 10 kompaktiert. Damit der Motor 11 in jeder Richtung von einer einzigen Energiequelle gespeist werden kann, kann eine Transistorbrückenschaltung benutzt werden. Je nachdem, wel­ ches Transistorpaar gerade leitend ist, kann die Polarität der Energiequelle zum Motor 11 und somit die Drehrichtung geändert werden.

Um einen geringeren Energieverlust im Leistungsver­ stärker zu erhalten, kann die D-Verstärkung verwendet werden, wodurch der Motor 11 direkt an die Energiequelle für eine veränderbare Zeitdauer geschaltet wird. Dadurch wird der Leistungsverlust in der Motorspeisestufe auf einem Minimum gehalten, wenn die Transistoren entweder abgeschaltet oder ganz eingeschaltet sind. Der größte Leistungsverlust be­ steht, wenn die halbe Spannung an den Transistoren nur vorübergehend besteht, und hängt von der Arbeitsgeschwin­ digkeit der gewählten Transistoren ab.

Es kann ein Festkörper-Motorstromdetektor vorgesehen werden, um die Solenoide 32 empfindlicher zu machen. Zweideutige Befehlssignale (z. B. eine offene Befehlsleitung zu einem Servo) würden ergeben, daß die Motore 11 keine Aus­ fahr- oder Zurückziehbefehle erhalten. Fig. 7 zeigt des­ halb ein Befehlsgültigkeitsprüfgerät 49, das die Befehls­ eingänge mit den beiden Servos vergleicht und den normalen Servobetrieb übersteuert, wenn eine Zweideutigkeit fest­ gestellt worden ist.

Im Relaisservosystem nach den Fig. 8 und 9 werden po­ larisierte Relais 50 verwendet, um ein Fehlersignal zu er­ zeugen und die notwendige Steuerung durchzuführen. Jedes Relais 50 ist mit zwei Spulen 50A und 50B versehen. Größe und Richtung des Stroms in den Spulen 50A und 50B können so sein, daß der magnetische Fluß den Relaiskontakt in seiner Mitte oder an nicht berührender Stelle aufhebt und ver­ läßt. Wenn eine Stromgröße in einer Spule geändert wird, dann ergreift der bewegliche Relaiskontakt den einen oder anderen festen Kontakt. Das Potentiometerrückkoppelungs­ signal wird somit magnetisch in den Relais 50 mit dem Befehls­ eingang verglichen. Die Relaiskontakte kommen auf den einen oder anderen Weg und bestimmen so die verlangte Motorrichtung. Entsprechende Unterrelais 51 besitzen Kontakte 51A und 51B und ändern die Polarität der Energiequelle der Motore 11 und ermöglichen so den Betrieb eines Motors 11 für zwei Richtungen bei einer einzigen Ener­ giequelle. Eine Diode 52 läßt Energie an den Motor 11 in jedem Betriebszustand des Relais 50, aber nur für einen Zustand an das Unterrelais 51 gelangen.

Das Relaisservosystem verwendet nur wenige Bauteile und besitzt den Vorteil, daß die volle Speisespannung leicht an den Motor 11 gelegt werden kann.

Der beschriebene Linearbetätiger besitzt viele Vorteile. Bei einem austauschbaren Widerstand in der Schaltung kann dieser Linearbetätiger in verschiedene Anlagen mit unterschiedlichen Anforderungen an die Hublänge eingesetzt werden. Wenn der austauschbare Widerstand 45 sich in einer Hülse oder in einem Stecker befindet, der bzw. die in den Linearbetätiger rasch ein­ gesteckt oder aus ihm herausgezogen werden kann, können Hublängenänderungen sehr leicht vorgenommen werden.

Bei Verwendung von Motoren aus seltenen Erden kann der Linearbe­ tätiger die ganze Überlast ohne Nachteil aushalten. Die Arbeits­ leistung eines Motors verschlechtert sich bei Überlast wegen Fehlens von Rück-EMK nicht. Der Drehmomentleistung der Mo­ toren ist bei einer gegebenen angelegten Spannung ohne Rück­ sicht auf die Geschwindigkeit konstant und somit ist ein Anhalten des Getriebes nicht notwendig. Die Druckkraft des Linearbetätigers ist somit ohne Rücksicht auf die Geschwindigkeit konstant.

Wegen der Ausgangsstellungs-Rückkoppelungspotentiometer, die die innere Lage abtasten ist es möglich, die Steuerschaltung entsprechend programmierbarer Leistungen für Drehmoment/Druckluft- Geschwindigkeit und/oder Verschiebung zu schalten.

Die Verwendung von Motoren aus seltenen Erden ermöglicht auch den Betrieb bei höheren Temperaturen als bisher.

Derselbe Linearbetätiger kann elektronische und/oder elektrische Steuerschaltungen besitzen, um entweder eine geschlossene Schleife (proportionale Steuerung) oder eine Steuerung mit offener Schleife zu ergeben.

Der Linearbetätiger kann leicht so beschaffen sein, daß er von einer nuklearen Umgebung nicht beeinflußt wird, indem nukleargehärtete Teile in den elektronischen Steuer­ schaltungen verwendet werden.

Durch Hand-Steuerung kann der Linearbetätiger auch bei Ener­ gieausfall oder elektrischen Abschaltungen betrieben werden.

Der Linearbetätiger ist unter anderen für die Sicherung von Flugzeugen und für die Freigabe von Sperren an Einrichtungen zum Aufhängen und Abgeben von Waffen sowie auch für elektrisch betriebene Sicherheitseinrichtungen und Bewaffnungseinrichtungen für Bewaffnung in der Luft, auf Schiffen oder auf dem Erdboden besonders geeignet.

Andere Spezialzwecke sind der Betrieb von Zugangstüren und anderen Einrichtungen für nukleare Umgebung, z. B. bei Kernkraftwerken, und kombinierte Sperren für Keller, Safs usw. Außerdem gibt es viele andere Fälle, die Einrichtungen verlangen, die von einem Linearbetätiger geregelt werden, wo die Erfindung zweckmäßig verwendet werden kann.

Abänderungen der Erfindung sind möglich. So kann anstelle eines austauschbaren Widerstandes ein variabler Wider­ stand oder ein Potentiometer benutzt werden, der bzw. das mittels einer Einstelleinrichtung eingestellt werden kann, die mit verschiedenen Hubwerten abgestuft ist.

Claims (6)

1. Motorbetriebener Linearbetätiger mit einer Spindel, die mit einem Ausgangsstellungs-Rückkoppelungspotentio­ meter versehen ist, wobei die Spindel durch mindestens zwei Elektromotoren angetrieben ist, welche die Spindel und deren Schaft innerhalb des gemeinsamen Motorgehäuses koaxial umgeben, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Spindel (17) über die zwei Elektro­ motoren (11) durch eine axial unverschiebbare Gewinde­ hülse (13) erfolgt, welche die Spindel (17) koaxial umgibt und mit dieser über ein Differentialgetriebe (12, 13, 15, 16) kämmt, dessen eines Getriebeteil die Gewindehülse (13) ist, daß jeder Motorläufer (14) der beiden Elektro­ motoren (11) mit einer eigenen Sperre (33, 39) versehen ist, die jeweils aus einem Magnetanker (33) sowie einer Verzahnung (39) am Motorläufer (14) besteht, und daß die zu den Magnetankern (33) gehörenden Magnete (32) im Stromkreis jedes der beiden Elektromotoren (11) so an­ geordnet sind, daß bei Ausfall eines der beiden Elektro­ motoren (11) die jeweils zugeordnete Sperre (33, 39) schließt und dadurch die Spindel (17) über das Differentialge­ triebe (12, 13, 15, 16) mit halber Geschwindigkeit, aber voller Kraft antreibbar ist, und daß ein einstell­ barer oder vorgebbarer Widerstand (45) in Reihe mit dem Ausgangsstellungs-Rückkoppelungspotentiometer (41) ge­ schaltet ist.

2. Motorbetriebener Linearbetätiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Handbetätigungsgetriebe (22, 23, 24, 19) zum Betätigen der Spindel (17) bei völligem Ausfall der beiden Motoren (11) vorgesehen ist, das während des nor­ malen Betriebes des Linearbetätigers blockiert ist.

3. Motorbetriebener Linearbetätiger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (18) der Spindel (17) durch ein Zahnrad (19) hindurch­ geht, das aber nicht gegenüber ihm gedreht werden kann, und das bei Normalbetrieb des Linearbetätigers feststehend ist, aber durch ein Handbetätigungsgetriebe (22, 23, 24, 19) enthaltendes handbetriebenes Zahn­ rad (24) gedreht werden kann.

4. Motorbetriebener Linearbetätiger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel (17) aus zwei Teilen besteht, wobei der eine Teil (21), der aus dem Linearbetätiger heraus­ führt, mit dem anderen Teil der Spindel (17) so ver­ bunden ist, daß eine relative Drehung ermöglicht ist, so daß während des Handbetriebes die Spindel (17) ohne Drehen des einen Teils (21) gedreht werden kann.

5. Motorbetriebener Linearbetätiger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei getrennte Fehlerverstärker (46) vorgesehen sind, die ein das Eingangssignal (47) mit dem Signal des Ausgangsstellungs-Rückkoppelungspotentiometers (41) vergleichen, wobei die Ausgänge der beiden Fehlerverstärker (46) an entsprechenden Leistungsverstärkern (48) liegen, welche die jeweiligen Motore (11) speisen.

6. Motorbetriebener Linearbetätiger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei polarisierte Relais (50) vorgesehen sind, die das Eingangssignal (47) mit dem Signal des Ausgangsstellungs-Rückkoppelungspotentiometers (41) vergleichen, und welche die Elektromotoren (11) speisen, daß Unterrelais (51) vorgesehen sind, auf welche die Aus­ gänge der polarisierten Relais (50) ansprechen, um die Polarität des Elektromotors (11) zu ändern und so die Be­ triebsrichtung des Linearbetätigers umzukehren, wenn das Ergebnis des Vergleichs in den polarisierten Relais (50) das Vorzeichen ändert.