DE4243014A1

DE4243014A1 - Elektrisches Servogerät für Drehbewegungen

Info

Publication number: DE4243014A1
Application number: DE4243014A
Authority: DE
Inventors: Adam Dittner; Joachim Sauer; Norbert Oberlack
Original assignee: FAG Kugelfischer Georg Schaefer KGaA; Kugelfischer Georg Schaefer and Co
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1992-12-18
Filing date: 1992-12-18
Publication date: 1994-06-23

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Servogerät für Drehbewegungen, welches zwischen der Antriebsseite und der Abtriebsseite einer eine Drehbewegung ausführenden Betätigungseinrichtung angebracht ist.

Servo-Betätigungseinrichtungen sind in vielfältigen Ausbildungen im Gebrauch, beispielsweise als Schieber ventil-Betätigung, wobei mittels eines Handrades der Schieber geöffnet und geschlossen wird. Ebenso bei Schleusentorbetätigungen, Lenk- und Bremseinrichtungen, Fensterhebern in Fahrzeugen und vieles andere mehr.

Hydraulische oder pneumatische betätigte Servogeräte sind allgemein bekannt, wobei ihnen, unabhängig von der Art ihrer Betätigung, gemeinsam ist, daß bei einem Ausfall der Hilfskraft d. h. der Servowirkung, die volle Funktionsfähigkeit der unterstützten Betäti gungseinrichtung erhalten bleibt.

Hydraulisch betätigte Servogeräte benötigen zu ihrer Funktion eine Hydraulikpumpe, Betätigungszylinder und gegebenenfalls einen Speicher sowie Steuerventile, während pneumatisch betätigte Servogeräte einen Druck- oder Unterdruckerzeuger, Betätigungszylinder, Steuer ventile und gegebenenfalls einen Speicher benötigen. Eine Vielzahl von Aggregaten nebst den zugehörigen Leitungen machen diese Einrichtung aufwendig und um fangreich.

Die bekannten elektrischen Betätigungsgeräte öffnen und schließen beispielsweise ein Schieberventil mit tels eines allgemein bekannten Elektromotors, wie Li nearmotor oder Wanderfeldmotor, der über einen eben falls allgemein bekannten Schalter betätigt wird. Diese elektrischen Betätigungsgeräte sind bei Strom ausfall nicht einsatzfähig, so daß eine manuelle Not betätigung durch eine Zusatzeinrichtung, wie Handkur bel oder Handrad, welche auf die Betätigungswelle auf gesteckt wird, erfolgt. Im Automobilbau werden viel fach die Fenster mittels derartiger elektrischer Betä tigungsgeräte geöffnet oder geschlossen. Bei Stromaus fall muß dann aus der Werkzeugtasche eine Kurbel ent nommen werden, die auf die Betätigungswelle, welche zu diesem Zweck ein Vierkantende aufweist, aufgesteckt wird um das Fenster öffnen oder schließen zu können.

Diese Notbetätigungs-Problematik elektrischer (Servo) Betätigungsgeräte ist der Grund warum derartige Geräte nicht für Einrichtungen verwendet werden bei denen es unumgänglich notwendig ist bei Ausfall des Servogerä tes die volle Funktionsfähigkeit der Betätigungsein richtung aufrechtzuerhalten.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt ein elek trisches Servogerät für Drehbewegungen zu schaffen, welches mit einem geringen Aufwand an Einzelteilen, die erforderliche Kraftverstärkung an der die Drehbe wegungen ausführenden Betätigungseinrichtung erzielt, wobei bei Ausfall des Servogerätes die Funktionsfähig keit der Betätigungseinrichtung voll erhalten bleibt. Außerdem soll es geräuscharm arbeiten und kriterienab hängig von außen beeinflußbar sein.

Die Aufgabe wird für die Kraftverstärkung der Dreh richtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen enthalten die Ansprüche 2 bis 5.

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel erläu tert werden:

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungs gemäßen Servogerätes im Schnitt bei Verdreh winkel Null des Torsionsstabes,

Fig. 2 zeigt schematisch die Stellung der Permanent magnete zum stromdurchflossenen Leiter und die Kräfte in der in Fig. 1 gezeigten Stellung,

Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau des Servogerätes bei maximal rechtem Verdrehwinkel,

Fig. 4 zeigt schematisch die Stellung der Permanent magnete zum stromdurchflossenen Leiter und die Kräfte in der in Fig. 3 gezeigten Stellung,

Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau des Servogerätes bei maximal linken Verdrehwinkel,

Fig. 6 zeigt schematisch die Stellung der Permanent magnete zum stromdurchflossenen Leiter und die Kräfte in der in Fig. 5 gezeigten Stellung,

Fig. 7 zeigt schematisch ein elektrisches Schaltbild der Anordnung des Servogerätes.

Der Aufbau des elektrischen Servogerätes wird am Bei spiel der Fig. 1 beschrieben.

In dem als Gehäuse ausgebildeten Stator 1 aus magne tisch leitfähigem Material sind die Antriebswelle 2 und die Abtriebswelle 3 drehbar, jedoch axial nicht verschiebbar, gelagert. An- und Abtriebswelle sind je weils torsions-formschlüssig über den Torsionsstab 4 verbunden. Zusätzlich sind An- und Abtriebswelle über einen rohrförmigen Rotor 5 verbunden, in welchem auf der rechten Seite Mitnehmer z. B. in Form von zwei diametral gegenüberliegend angeordneten Zapfen 6 der Antriebswelle 2 in Ausnehmungen 7 des Rotors 5 eingreifen, die wie eine Gewindesteigung verlaufen. Die linke Seite des Rotors 5 ist mit einer Innenver zahnung 8 versehen, in welche die Außenverzahnung 9 der Abtriebswelle 3 torsions-formschlüssig, jedoch axial verschiebbar, eingreift. Ein weichmagnetischer Rückschluß 10 mit einer darin eingebetteten elektrisch leitenden Wicklung 11 umschließt den Rotor 5 ringför mig und ist mit ihm fest verbunden. Die Wicklung 11 ist mit flexiblen elektrischen Leitungen 12 an den Kollektor 13 angeschlossen, der auf der Abtriebswelle 3 verankert ist, wobei sich die Wicklung 11 und der Kollektor 13 in ihrer Position zueinander in Umfangs richtung nicht verändern. Die Bürsten oder Kohlen 14 sind an eine Gleichstromquelle angeschlossen. Am In nendurchmesser des Stators 1 sind über den Umfang gleichmäßig verteilt Permanentmagnete 15a und 15b fest angeordnet.

Die Lage und die Kräfte bei stromdurchflossenem Leiter zeigt Fig. 2. Die eine Reihe der Permanentmagnete 15a bewirken durch ihr Magnetfeld bei Stromfluß I durch die Wicklung 11 eine Kraft F₁ auf die Wicklung 11 bzw. den sie tragenden Rückschluß 10, die in der Zeichenebene nach unten wirkt. Die andere Reihe der Permanentmagnete 15b bewirken aufgrund ihrer gegenpo ligen Anordnung eine entgegengerichtete Kraft F₂ also in der Zeichenebene nach oben. Da die sich im Magnet feld befindlichen Leiterlängen l₁ und l₂ gleich sind, sind auch die Kräfte F₁ und F₂ gleich, so daß das re sultierende Drehmoment Null ist.

Wenn nun die Antriebswelle 2 z. B. nach rechts ver dreht wird (s. Fig. 3), so verdreht sich damit auch der Torsionsstab 4, wenn an der Abtriebswelle 3 ein gewisses Gegendrehmoment (Masse, Reibmoment, nötige Stellkraft o. ä.) ansteht. Demzufolge verschiebt sich der Mitnehmerzapfen 6 in der Ausnehmung 7 des Rotors 5 und verschiebt den Rotor 5 in die in Fig. 3 gezeigte Stellung. Der Rotor 5 wandert nach rechts, so daß die Wicklung 11 nun nur noch der Reihe der Permanentmagente 15b gegenüberliegt (s. Fig. 4). Da mit wird die im Magnetfeld der Reihe der Permanentma gnete 15a verlaufende Leiterlänge l₁ gleich Null, so daß die Kraft F₁ ebenfalls Null wird. Die Leiterlänge 12 die sich mit ihrer maximalen Länge im Magnetfeld der Permanentmagnete 15b befindet, wird 1 max, so daß auch F₂ zu F_max wird. Auf den Rotor 5 wirkt folglich ein Drehmoment, das über die Innen- und Au ßenverzahnung 8 und 9 als Servokraft auf die Abtriebs welle 3 wirkt.

Wird die Antriebswelle 2 nach links verdreht (s. Fig. 5 und 6), so kehren sich die gerade beschriebenen Be wegungen um. Der Rotor wandert nach links über die in Fig. 1 gezeigte Mittelstellung in die maximale linke Stellung nach Fig. 5. Wie aus Fig. 6 ersichtlich wird dann l₁ gleich l_max, l₂ wird Null und die Kraft F₁ wird _Fmax und F₂ gleich Null. Auf die Abtriebs welle wirkt ein linkes Drehmoment. Die Übergänge von der rechten in die linke Maximalstellung sind kontinu ierlich. Zur übersichtlichen Veranschaulichung der Funktionsweise ist in den Fig. 2, 4 und 6 nur eine einphasige Wicklung dargestellt. Bei einer Drehbewe gung wird der Rotor 5 und damit die Wicklung 11 gegen über den am Stator 1 fest angeordneten Permanentmagnetreihen 15a und 15b verdreht. In den Fig. 2, 4 und 6 dies entspricht einer Verschiebung der Wicklung 11 in der Zeichenebene nach oben oder un ten. Gerät die dargestellte Wicklung dabei in eine Lage zwischen den einzelnen Permanentmagneten, so kann in diesem Zustand kein Drehmoment erzeugt werden. Aus diesem Grunde müssen bei der tatsächlichen Ausführung entweder mehrere phasenverschobene Wicklungen oder eine Wicklung wie bei herkömmlichen Gleichstrommaschi nen (Schleifenwicklung oder Wellenwicklung) einge bracht werden, so daß in jeder Relativlage des Rotors zum Stator ein Drehmoment erzeugt werden kann.

Die Servokraft ist dabei proportional zum jeweiligen Verdrehwinkel des Torsionsstabes 4. Da die Verstärkung auch von dem im Leiter fließenden Strom abhängt, läßt sich die Verstärkung der Servoeinrichtung durch Ändern des fließenden Stroms leicht ändern und regeln. Wie Fig. 7 zeigt ist dazu eine einstellbare Stromquelle zwischengeschaltet, welche es ermöglicht, die Servo wirkung einfach zu regeln, also kriterienabhängig von außen zu beeinflussen. Dies kann man dazu verwenden, um z. B. die Servowirkung zu begrenzen oder z. B. bei gewissen Bedingungen (Temperatur, Geschwindigkeit, Druck usw.) abzuschalten. Wenn nämlich kein Strom fließt, ist die Servowirkung Null. Trotzdem ist die Funktionssicherheit immer gegeben, da auch bei Strom ausfall oder Bruch des Torsionsstabes nach Überwinden des Spiels der Zapfen 6 in der Ausnehmung 7 an seiner Endlage anschlägt und so mechanisch das Drehmoment von der Antriebswelle zur Abtriebswelle übertragen wird.

Claims

1. Elektrisches Servogerät für Drehbewegungen, wel ches zwischen der Antriebseite und der Ab triebseite einer eine Drehbewegung ausführenden Betätigungseinrichtung angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem feststehenden Ge häuse (1) zwei Reihen von Permanentmagneten (15a, 15b) gegenpolig angeordnet sind, denen ein mit einer mehrphasigen Wicklung (11) versehener Rotor (5) gegenübersteht, der axialverschiebbar ausge bildet ist, wobei in Mittelstellung das von der über einen Kommutator (13) bestromten Wicklung (11) und den Permanentmagnetreihen (15a, 15b) er zeugte resultierende Drehmoment Null ist, daß zwischen An- und Abtriebsseite ein Torsionsstab (4) angeordnet ist, und daß über Mitnehmer (6) eine Axialverschiebung des Rotors (5) erfolgt, wenn der Torsionsstab gegenüber dem Rotor (5) verdreht ist, so daß aufgrund der Axialverschie bung das resultierende Drehmoment einer Perma nentmagnetreihe überwiegt, ein verstärkendes Drehmoment über den Rotor (5) auf die Abtriebs seite (3) aufbringbar ist.

2. Servogerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Axialverschiebung durch schräg verlaufende im Rotor (5) eingebrachte Nuten (7) erfolgt, in welche Mitnehmer (6) hineinragen.

3. Servogerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß ein abtriebsseitiger Kollektor (13) über eine flexible elektrische Leitung (12) mit der Wicklung (11) verbunden ist.

4. Servogerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Wicklung (11) auf einem den magneti schen Fluß ermöglichenden weichmagnetischen Trä ger (10) angeordnet ist, dessen axiale Länge dem Außenmaß der beiden Permanentmagnetreihen (15a, 15b) entspricht.

5. Servogerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die axiale Länge der Wicklung (11) der Länge eines Permanentmagneten plus dem Abstand der Permanentmagnetreihen entspricht.