DE3827000C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stellantrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist ein Stellantrieb der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art bekannt (DE-OS 21 53 447), bei dem von einem Thermostatteil ein Stößel entgegen der Rückstellkraft des Stellgliedes in die eine Endstellung bewegt wird. Die Rück­ stellung in die andere Endstellung erfolgt durch die Rückstell­ kraft des Stellgliedes. Damit solche Thermostatregler fern­ bedient werden können, z.B. von einem Regelgerät aus, werden sie mit einer Widerstandsheizung ausgerüstet (DE-OS 30 40 151). Solche thermoelektrischen Stellantriebe sind sowohl für eine stetige Regelung wie auch für eine AUF/ZU-Regelung geeignet.

Es sind auch Stellantriebe bekannt (DE-AS 23 61 398), bei denen ein Elektromagnet einen Stößel in die eine Endstellung bewegt. Auch bei solchen Stellantrieben erfolgt die Rückstellung bei nicht erregtem Magneten durch die Rückstellkraft einer Feder. Ein solcher elektromagnetischer Antrieb eignet sich nur für die AUF/ZU-Regelung.

Den beiden genannten Stellantrieben ist gemeinsam, daß sie in der einen Endstellung dauernd mit Energie versorgt werden müssen.

Ein weiterer Stellantrieb ist bekannt, bei dem ein Stößel von einer motorisch angetriebenen Spindel bewegt wird. Die Rück­ stellung des Stellgliedes erfolgt mittels einer Feder. Getriebe und Spindel sind so stark untersetzt, daß durch Selbsthemmung eine Rückstellung bei ausgeschaltetem Motor verhindert wird. Die starke Untersetzung hat zur Folge, daß dieser Stellantrieb langsam wirkt und daher nicht als AUF/ZU-Stellantrieb geeignet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen AUF/ZU-Stell­ antrieb zu schaffen, der so wenig Energie benötigt, daß er für Batteriebetrieb geeignet ist, und sich dennoch durch eine kurze Stellzeit auszeichnet.

Die Erfindung besteht in den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Aufbau von Stellantrieb und Stellglied,

Fig. 2 ein Kraft-Wegdiagramm eines Federsystems,

Fig. 3 und 4 Schematas elektrischer Steuerungen.

In der Fig. 1 sind ein Stellantrieb 1 und ein Stellglied 2 schematisch aufgezeichnet. Beim dargestellten Stellglied 2 handelt es sich um ein Ventil, wie sie z.B. zum Regeln von Radiatoren in Zentralheizungsanlagen eingesetzt werden. Von einem in der Drehrichtung umsteuerbaren Antriebsmotor 3 werden über ein Drehzahlreduktions-Getriebe 4 ein Hebel 5 und zwei Zahnräder 6, 7 angetrieben. Der Hebel 5 ist mit seinem einen Ende im hier nicht gezeichneten Gehäuse des Stellantriebes 1 gelagert und an seinem anderen Ende mit dem Getriebe 4 im Eingriff. Vom Hebel 5 wird ein Stößel 8, je nach Drehrichtung des Antriebsmotors 3, in der einen oder anderen Längsrichtung bewegt. Der Stößel 8 greift mit mehreren Arme durch eine Scheibe 9 hindurch. An ihrem Ende sind die Armen so zu Anschlägen 11 ausgebildet, daß die Scheibe 9 gegen Herausfallen gesichert ist. Eine vorgespannte Überhubfeder 10, die in einem Hohlraum des Stößels 8 geführt ist, stützt sich mit der einen Seite auf den Stößel 8 und mit der anderen Seite auf die Scheibe 9. Durch die Überhubfeder 10 wird die Scheibe 9 gegen die Anschläge 11 gedrückt. Von der Scheibe 9 wird in der Schließrichtung die Bewegung des Stellantriebes 1 auf das Stellglied 2 übertragen.

Damit das Stellglied 2 dem Stellantrieb 1 in der Öffnungs­ richtung folgen kann, ist im Stellglied 2 eine kräftige Ventil­ feder 12 eingebaut, die einen Ventilstößel 13 und damit einen Ventilteller 14 in die Öffnungsstellung drückt. Der Stell­ antrieb 1 muß in der Schließrichtung die Kraft der Ventilfeder 12 überwinden. Ohne besondere Maßnahmen müßte der Antriebs­ motor 3 entsprechend leistungsfähig gewählt oder das Getriebe 4 so untersetzt werden, daß die Stellzeit zu lange würde. Bei beiden Maßnahmen würde auch der Energiebedarf entsprechend groß.

Mit einer Kompensationsfeder 15, welche zwischen einem fest­ stehenden Teil des Stellantriebes 1 und dem Stößel 8 angeordnet ist, wurde nun erfindungsgemäß ein Mittel geschaffen, mit dem die Kraft, mit dem die Ventilfeder 12 auf den Stellantrieb 1 wirkt, weitgehend kompensiert wird. Die Kompensationsfeder 15 wirkt im dargestellten Beispiel ebenfalls auf die Scheibe 9. Die Federkraft der Kompensationsfeder 15 kann durch Verdrehen der Hülse 16, die mit einem Gewinde im Stellantriebsgehäuse geführt ist, eingestellt und damit an die Charakteristik verschiedener Stellglieder 2, d.h. an die Kraft der Ventilfeder 12, angepaßt werden. Im Idealfall heben sich die Kräfte der beiden Federn 12 und 15 nahezu auf. In der ZU-Stellung, wenn der Ventilteller 14 blockiert wird, läßt die Überhubfeder 10 einen zusätzlichen Antriebsweg des Stellantriebes 1 zu. Entsprechend ihrer Vorspannkraft wird von der Überhubfeder 10 eine Mindest­ schließkraft auf den Ventilteller 14 ausgeübt. Die Federkraft der Überhubfeder 10 und damit die Schließkraft des Ventil­ tellers 14 kann weitgehend unabhängig von der Kraft der Ventil­ feder 12 gewählt werden.

Um den Stellantrieb 1 in den Endstellungen festzuhalten, wirkt eine Stellfeder 17 auf das Rad 6. Das Rad 6 macht während eines Stellvorgangs eine halbe Umdrehung in der einen oder der anderen Richtung. In der Fig. 1 sind die beiden Endstellungen, die das Rad 6 einnehmen kann, eingezeichnet. Beim Verstellen des Stellantriebes 1 wird die Stellfeder 17 bis zum Totpunkt gespannt. Nach dem Überfahren des Totpunktes wird die in der Stellfeder 17 aufgespeicherte Energie wieder an den Stellantrieb 1 zurückgegeben. Der Antriebsmotor 3 wird also entsprechend entlastet.

In den Federdiagrammen der Fig. 2 sind die Kräfte, die von den einzelnen Federn auf den Antriebsmotor 3 ausgeübt werden, in Abhängigkeit des Stellweges s dargestellt. Mit Z ist die Stellung ZU und mit A die Stellung AUF bezeichnet.

Es ist ersichtlich, wie sich die Kraft F _V der Ventilfeder 12 und die Kraft F _K der Kompensationsfeder 15 weitgehend aufheben. Durch Einstellen der Kraft F _K der Kompensationsfeder 15 läßt sich der Schnittpunkt der resultierenden Kraft F _R mit der Nullinie wählen. Vorzugsweise wird er so gewählt, daß er sich in der Mitte des Stellweges s befindet. Die Kraft F _R wird dann in der AUF-Stellung positiv und in der ZU-Stellung negativ. Die resultierende Kraft F _R , die auf den Antriebsmotor 3 wirkt, ist wesentlich kleiner, als sie ohne die Wirkung der Kompensations­ feder 15 wäre.

Gestrichelt ist eingezeichnet, wie die Kraft F _V der Ventilfeder 12 eines zweiten Ventiltyps durch Einstellen der Kraft F _K der Kompensationsfeder 15 derart kompensiert werden kann, daß die auf den Antriebsmotor 3 wirkende resultierende Kraft F _R gleich bleibt.

Die Kraft F _Ü der Überhubfeder 10 wirkt erst bei geschlossenem Ventilteller 14. Mit der Kraft F _Ü wird der Ventilteller 14 in die Schließstellung gedrückt und in dieser Endstellung eine vorgegebene Mindestkraft auf das Stellglied 2 ausgeübt.

Die Stellfeder 17 wirkt mit der Kraft F _S auf den Antriebsmotor 3. Je nach Stellung des Rades 6 wirkt diese Kraft in der einen oder anderen Drehrichtung. Das Federdiagramm zeigt deutlich, wie die Kraft F _S der Stellfeder 17 einerseits der resultierenden Kraft F _R entgegenwirkt, andererseits dem Stellantrieb 1 eine erwünschte Kippcharakteristik verleiht.

In der Kraft F _Tot sind alle Federkräfte, die auf den Antriebs­ motor 3 wirken, zusammengefaßt. Es ist ersichtlich, daß der Antriebsmotor 3 durch die Kompensationsfeder 15 wesentlich entlastet wird, so daß der Stellantrieb 1 wenig Energie benötigt, für Batteriebetrieb geeignet ist und sich dennoch durch eine kurze Stellzeit auszeichnet, weil das Getriebe 4 entsprechend wenig untersetzt werden muß.

Als weitere Maßnahme zur Energieeinsparung schaltet sich der Antriebsmotor 3 über Endschalter ab, die vorteilhaft als Reed- Kontakte 18, 19 ausgebildet sind, sobald eine der beiden Endstellungen erreicht ist. Die Steuerung der Reed-Kontakte 18, 19 erfolgt vom Rad 7 aus. In der Stirnseite des Rades 7 ist eine Steuerkurve 20 eingefügt, die aus drei Kreissegmenten mit drei verschiedenen Radien zusammengefügt ist. Die Kreissegmente sind mit kurzen Übergangsbogen miteinander verbunden. Von der Steuerkurve 20 wird über einen Mitnehmerbolzen ein Steuerhebel 21 bewegt. Entsprechend den drei Radien ist die Bewegung des Steuerhebels 21 unstetig, wenn sich das Rad 7 dreht. Über einen Dauermagneten 22, der am Steuerhebel 21 befestigt ist, werden die Reed-Kontakte 18, 19 geschaltet. In der einen Endstellung ist der Reed-Kontakt 18, in der anderen Endstellung der Reed- Kontakt 19 und in den Zwischenstellungen sind beide Reed- Kontakte 18, 19 geschlossen.

Die Fig. 3 zeigt das elektrische Schema des Stellantriebes 1. Nicht gezeichnet ist das zugehörige Regelgerät, das durch Umpolen einer zweipoligen Speiseleitung 25 den Antriebsmotor 3 des Stellantriebes 1 steuert. In der Zuleitung zum Antriebsmotor 3 sind zwei Dioden 23, 24 mit umgekehrter Polarität eingefügt. Mit den Reed-Kontakten 18, 19 läßt sich je eine der Dioden 23, 24 kurzschließen. In den Zwischenstellungen des Stellantriebes 1, wenn beide Reed-Kontakte 18, 19 geschlossen sind, akzeptiert der Stellantrieb den AUF- und den ZU-Befehl. In den End­ stellungen, wenn nur einer der beiden Reed-Kontakte 18, 19 geschlossen ist, wird nur der AUF- oder der ZU-Befehl akzeptiert.

Die Fig. 4 zeigt ein zweites elektrisches Schema des Stell­ antriebes 1. In der einen Zuleitung zum Antriebsmotor 3 sind die Dioden 23, 24 antiparallel eingefügt. Die Dioden 23, 24 lassen sich durch je einen der Reed-Kontakte 18, 19 ein- beziehungs­ weise ausschalten.

Von der Funktion her sind die beiden in den Fig. 3 und 4 gezeichneten Schaltungen gleichwertig.

Mit diesen Schaltungen sind einige Vorteile verknüpft:

• - Der Antriebsmotor 3 schaltet sich selbst ab, sobald eine Endstellung erreicht ist. Dadurch wird der Energiebedarf minimal.
• - Wird eine der Endstellungen infolge eines mechanischen Defektes oder wegen Unterspannung nicht erreicht, so läßt sich der Antriebsmotor 3 auch aus einer beliebigen Zwischenstellung wieder in die Gegenrichtung umsteuern. Der Antriebsmotor 3 blockiert sich nicht selbst. Eine Notregelfähigkeit bleibt erhalten.
• - Beliebig viele Stellantriebe 1 lassen sich parallel schalten und vom gleichen Regelgerät aus steuern, ohne daß sie sich gegenseitig beeinflussen.

Anstelle des Antriebsmotors 3, des Getriebes 4 und des Hebels 5 kann auch ein andersartiges reversierbares Antriebselement zur Betätigung des Stößels 8 eingesetzt werden, beispielsweise ein thermoelektrisches Antriebselement oder ein Elektromagnet.

Claims (9)

1. Stellantrieb (1) für ein Stellglied (2) mit einem reversier­ baren Antriebselement (3), das mit einem Stößel (8) derart gekoppelt ist, daß der Stößel (8) eine Bewegung in der einen oder anderen Längsrichtung macht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensationsfeder (15) zwischen einem feststehenden Teil des Stellantriebes (1) und dem Stößel (8) angeordnet ist, welche die durch das Stellglied (2) auf den Stellantrieb (1) ausgeübten Kräfte weitgehend kompensiert.

2. Stellantrieb (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stellfeder (17) den Stellantrieb (1) in seinen beiden Endstellungen festhält.

3. Stellantrieb (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft der Kompensationsfeder (15) zur Anpassung an die Charakteristik verschiedener Stellglieder (2) einstellbar ist.

4. Stellantrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überhubfeder (10) in einer der beiden Endstellungen des Stellantriebes (1) eine vorgegebene Mindest­ kraft auf das Stellglied (2) ausübt.

5. Stellantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Endschalter zur Abschaltung des Antriebselementes (3) durch zwei Reed-Kontakte (18; 19) gebildet sind.

6. Stellantrieb (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Betätigungsmagnet (21) für die Reed-Kontakte (18; 19) über eine Steuerkurve (20) unstetig bewegbar ist.

7. Stellantrieb (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Reed-Kontakte (18; 19) derart mit Dioden (23; 24) verbunden sind, daß der Stellantrieb (1) in der einen Endstellung nur den Befehl AUF, in der anderen Endstellung nur den Befehl ZU und in den Zwischenstellungen beide Befehle akzeptiert.

8. Stellantrieb (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einer zweipoligen Speiseleitung (25) des Antriebselementes (3) zwei Dioden (23; 24) mit umgekehrter Polarität eingefügt sind, die durch je einen der Endschalter (18; 19) kurzschließbar sind.

9. Stellantrieb (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Pol einer zweipoligen Speise­ leitung (25) des Antriebselementes (3) zwei Dioden (23; 24) antiparallel eingefügt sind, die durch je einen der Endschalter (18; 19) ein- oder ausschaltbar sind.