DE4444612A1 - Transformatorloser Beschlagmotor mit Strombegrenzung - Google Patents

Transformatorloser Beschlagmotor mit Strombegrenzung

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Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Beschlagmotor, der für Stellantriebe eingesetzt wird, die beim Öffnen von Fenstern, Klappen oder Türen zunehmend eingesetzt werden, insbesondere über Ausstellscheren.
Die Beschlagmotoren der genannten Gattung setzen dabei im wesentlichen eine Rotationsbewegung üblicherweise eines 220 V-Motors um in eine Längsbewegung einer Betätigungsstange. Das wird mittels einer auf einer Spindel geführten Spindelmutter erreicht.
Üblicherweise haben die erwähnten Beschlagmotoren einen 220 V-Motor, der über Mikro-Endschalter an- und abgeschaltet wird. Im Rahmen seiner betrieblichen Stellaufgaben wird der Motor durch einen benutzergesteuerten Schalter ein- und ausgeschaltet. Es gibt daneben auch Varianten, die mit einem 24 V-Motor arbeiten, solche Motoren sind robuster, kleiner und zuverlässiger, diese Varianten benötigen allerdings einen - doch erheblichen Raum einnehmenden - Transformator, der zusätzlich ein Gewichtsproblem birgt.
Deshalb ist es eine Aufgabe der Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen und einen Beschlagmotor ohne Transformator vorzuschlagen, der nicht ein 220 V-Motor ist, dennoch an das 220 V-Haushaltsnetz angeschlossen werden kann.
Das wird mit der Erfindung dadurch erreicht, daß ein Niederspannungsmotor verwendet wird, vorzugsweise ein 24 V-Motor, der über eine transformatorlose Spannungs-Reduktionsschaltung angesteuert wird (Anspruch 1, Anspruch 5). Ein Beispiel einer solchen Reduktionsschaltung mit einer einfachen Drossel L und einem Hochfrequenz-Leistungsschalter T zeigt die Fig. 2, ein anderes Beispiel zeigt die Fig. 3.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Spannungs- Reduktionsschaltung um einen Strombegrenzer ergänzt wird, der den in dem Beschlagmotor fließenden Strom mittelbar oder unmittelbar erfaßt und die Spannungsreduktionsschaltung so beeinflußt, daß sie abschaltet oder eine starke Reduzierung ihrer Ausgangsspannung bewirkt wird, um den Motor abzustoppen (Ansprüche 2, 3, 6, 9, 13). Das Ansprechen der Strombegrenzung kann mit einer Speicherfunktion gekoppelt sein (Anspruch 10). Diese kann nach einer gewissen Zeit - oder nach Abschalten der Betriebsspannung des Motors - gelöst werden.
Die vorteilhafte Ergänzung des transformatorlosen Ansteuerns des Niederspannungsmotors durch die Strombegrenzung erreicht auch alleine eine völlige mechanische Unabhängigkeit von Positions- Schaltern und deren Einstellungen. Solche Schalter werden nunmehr überflüssig (Anspruch 13). Damit wird eine erhebliche Vereinfachung des Einstellbedarfes und eine erhebliche Beschleunigung der Fertigung der Beschlagmotoren erreicht. Auch besteht eine erhebliche Sicherheit, da die Einstellung der Schalter nicht mehr verstellt werden kann und mechanisches Blockieren der Scheren in ihren Endstellungen keine unerwarteten Überraschungen mehr bereiten kann.
Mit der Strombegrenzungs-Schaltung wird auch erreicht, daß der Stellhub der Betätigungsstange begrenzt wird. Die Begrenzung ist eine Selbsteinstellende, die nicht justiert werden braucht, die auch nicht nachjustiert werden muß. Unabhängig vom Anbringungsort und unabhängig von der mit der Betätigungsstange betätigten Stellvorrichtung, beispielsweise einer Ausstellschere oder einer Verrieglungseinrichtung, wird mit der Strombegrenzung erreicht, daß sich die Schranken des Stellhubes selbsttätig einstellen. Jedesmal, wenn eine mechanische Endlage der beispielhaften Ausstellschere erreicht wird, dies kann die Schließstellung oder die Offenstellung sein, blockiert der Beschlagmotor, verlangt einen höheren Strom und über die Stromerfassungs-Schaltung wird diese Endlage detektiert. Der Motor wird dann unmittelbar abgeschaltet, indem seine Spannung stark reduziert oder abgeschaltet wird.
Es ist also mit der Strombegrenzungs-Schaltung weder erforderlich, Endlagenschalter in dem (schlecht zugänglichen) Metallgehäuse des Beschlagmotors vorzusehen (um die Endlagen der Spindelmutter sicher zu detektieren), noch ist es erforderlich die meist zwischen diesen Grenzlagen liegenden Stellhub- Schranken auf eine jeweilige Anwendung abzustimmen. Bereits nach Anbringen des Beschlagmotors und der Kopplung seiner Betätigungsstange mit der jeweiligen Ausstellvorrichtung ist sichergestellt, daß die Strombegrenzung sofort und dauerhaft die Stellhub-Beschränkung dieses speziellen Beschlages erfaßt. Dies geht sogar so weit, daß sich die mechanischen Stellhub-Schranken während der Lebensdauer des Beschlagmotors verändern können, ohne daß eine neue Justage von Mikroschaltern erforderlich wird, weil die Strombegrenzungs-Schaltung diese Veränderung selbsttätig und ansatzlos nachführt.
Ist zuvor erwähnt worden, daß mit dem Niederspannungs- Beschlagmotor, der Spannungs-Reduktionsschaltung und der Strombegrenzungs-Schaltung sowohl die mechanischen Grenzlagen- Schalter des Beschlagmotors als auch die Mikroschalter für die Stellhub-Schranken entfallen können, so versteht sich, daß die Erfindung auch jeweils (nur) die einen dieser mechanischen Schalter entfallen lassen kann.
Zwei Ausführungsbeispiele sollen das Verständnis der Erfindung vertiefen.
Fig. 1 zeigt einen Beschlagmotor, wie er in der deutschen Patentanmeldung DE-A 43 22 133 beschrieben wurde. Da dort wie hier dieselben Bezugszeichen gewählt sind, wird zur näheren Beschreibung des Beschlagmotors auf die dortige Erläuterung verwiesen. Gleichzeitig wird eine Kopie der (älteren) Patentanmeldung zur Akte dieser Patentanmeldung gereicht, da sie noch nicht offengelegt wurde.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Schaltung, mit der der Beschlagmotor gemäß Fig. 1 steuerbar ist.
Fig. 3 ist ein anderes Beispiel einer Spannungs- Reduktionsschaltung ohne Spule L.
Fig. 1 zeigt, daß in einem Metall-Gehäuse 10 ein Elektromotor 1 fest gelagert ist, er treibt eine Spindelstange 3 an, die an ihrem unteren Ende (inneres oder hinteres Ende) 3d über ein Kugellager oder Wälzlager 3b drehbar gelagert ist. Die Spindelstange 3 trägt ein Gewindesteg 3a, mit dem eine Spindelmutter 22 translatorisch in dem Gehäuse 10 bewegbar ist. Die Spindelmutter 22 ist Bestandteil eines Dämpferkäfigs 20, der eine federnde Lagerung der Mutter entweder über radiale Puffer oder über ein axial ausgerichtetes Tellerfeder-Doppelpaket 21a, 21b erreicht. Dadurch werden Abstoppen und Anfahren des Käfigs 20 erleichtert, auch die Endstellungen werden sanfter angefahren bzw. erreicht. Die Ausführungsform gemäß der Fig. 1 kommt mit der beweglichen Spindelmutter und deren elastischer Dämpfung im Dämpferkäfig 20 ohne Endlagen-Schalter aus. Das Anfahren einer der Endlagen, der Vorderendigen (bei 6) oder der Rückwärtigen (bei 3d) wird dazu führen, daß der Motor 1 einen erhöhten Strom aufnimmt, was die Ansteuerschaltung gemäß Fig. 2 erkennt und daraufhin die Spannung des Motors abschaltet.
Unter Endlagen ist hier zum einen die mechanische Grenzlage des Beschlagmotors 1 gemeint, also die Schranken des maximalen Stellhubes, zum anderen meint "Endlager" auch die mechanisch jeweils vor Ort geltende Begrenzung eines individuellen Betriebs-Stellhubes einer jeweiligen Ausstellvorrichtung.
Die Fig. 2 ist eine mögliche Variante der Ansteuerung des Motors 1 von Fig. 1, der in Fig. 2 als Motor M dargestellt ist, eine andere Variante zeigt Fig. 3.
Die Funktionsweise der Schaltung in Fig. 2 ist so, daß aus einem 220 V-Haushaltsnetz eine gleichgerichtete Spannung U₀ erzeugt wird. Sie beträgt etwa 300 V. Ausgehend hiervon wird über einen Leistungsschalter T, der als Transistor oder als MOS-FET ausgeführt sein kann, eine Tiefsetzsteller-Schaltung gespeist, bestehend aus den drei passiven Bauelementen D, L und C. Am Ausgang des Glättungskondensators C wird der Motor M angeschlossen. Die Ansteuerung des Schalters T wird von einem Komparator K übernommen, der mit einem Anschluß an einer Sägezahnspannung liegt und mit seinem anderen Anschluß von einem Regelverstärker OV gespeist wird. Der Regelverstärker OV vergleicht Sollwert und Istwert der Spannung, wobei der Sollwert von der Strombegrenzerschaltung 30 bereitgestellt wird und der Istwert einem Meßwert der Ausgangsspannung des Stellers bildet. Dieser Meßwert kann über einen Optokoppler 100 potentialverschoben werden. Der Sollwert und der Meßwert werden in dem Verstärker OV subtrahiert und bilden die (statische) Vergleichsspannung des Komparators K. Damit wird eine Pulsbreiten-Modulation erreicht.
Die Strommessung erfolgt über einen Meßwiderstand RM, der in der Emitterleitung des Transistors T eingeschaltet ist. Damit wird nur zu den Zeitpunkten des Einschaltens des Transistors T ein Strom gemessen, die Strombegrenzung 30 kann demgemäß eine interne Spitzenwert-Gleichrichtung enthalten, weil der in Widerstand RM beim Einschalten des Transistors T fließende Strom aufgrund des Sperrens von D zwingend auch der Laststrom iL des Motors 1 ist.
Die Strombegrenzung 30 kann eine Speicherfunktion beinhalten, die den Sollwert des OV auf (dauerhaft) 0 V regelt (bezüglich Masse), wenn der in Widerstand RM gemessene Strom einen bestimmten Grenzwert überschreitet. Das ist im Beschlagmotor gemäß Fig. 2 einer der beiden dort erwähnten Anschläge, seien die Endanschläge im Motor oder Endanschläge der betätigten Schere, also die Grenzen des Stellhubes des jeweiligen individuellen Anwendungsfalles.
Neben dem Erreichen der End-Anschläge kann aber auch ein mechanisches Blockieren der Schubstange 4 von der Strombegrenzungs-Schaltung detektiert werden und der Beschlagmotor würde auch bei Blockieren in einer seiner normalen betrieblichen Stellungen sicher abgeschaltet.
Die Schaltung 30 arbeitet mit ihrem Bezugspotential auf U₀, der Pegel des Ausgangs "SOLLWERT" wird aber gegen Masse verglichen. In dieser Schaltung kann die Schaltung 30 ab dem Grenzwert stark proportional verstärkend sein; je größer der Strom iL, desto höher die Ausgangsspannung von 30 gegenüber U₀ und desto geringer gegenüber Masse. Der Sollwert wird gegen Masse vorgeben.
In gleicher Weise kann die Schaltung 30 auch in den Diodenzweig D gelegt werden, zwischen deren Anode und Masse. Dann wird die Strombegrenzung oberhalb eines Grenzwertes intern invertieren, je höher der Strom, desto geringer ihr Ausgangssignal, weil es der Sollwert von OV ist.
In Fig. 3 ist eine zweistufige Spannungsreduktion ausgeführt. Die dargestellte Schaltung bildet die erste Stufe mit dem wesentlichen Anteil der Spannungsreduktion. Die hohe Eingangsspannung, die auch in Fig. 2 erwähnt wurde., wird über ein Thyristor C₁ gleichgerichtet. Er speist einen Kondensator C₄ mit seinem Anodenanschluß. Um eine Strombegrenzung zu erhalten, da die Spannung an C₄ deutlich geringer ist, als der Maximalwert der pulsierenden Eingangsspannung, kann ein Widerstand R₃ in Reihe zu T₁ und C₄ vorgesehen sein. Die jeweilige Ansteuerung des Thyristor T₁ wird abhängig von dem Mittelwert der Spannung an C₄ zeitlich verändert, so daß ein Phasenanschnitt erreicht wird. Mit dem Phasenanschnitt wird auch die Spannungsregelung durchgeführt.
Die Phasenanschnitt-Funktion arbeitet so, daß ein Hilfs- Thyristor T₂ mit seiner Anode an eine gegenüber der Eingangsspannung phasenverschobene Spannung gekoppelt wird. Diese phasenverschobene Spannung wird über eine zusätzliche verzögerte Spannung gleichgerichtet auf den Gate-Anschluß des Hilfsthyristor T₂ geschaltet. Die Kathode des Thyristors T₂ wird mit dem Schleifer des Widerstandes R₇ verbunden. Damit besteht eine Rückkopplung des gemessenen Spannungswertes an C₄ zu der Kathode des Thyristors T₂, der nicht vorher leitet, als daß seine Anodenseite einen höheren Spannungspotentialwert aufweist als seine Kathodenseite und gleichzeitig das Gate über die erwähnte Diode eine höhere Spannung aufweist als sein Kathodenpotential. Damit kann die zeitverzögerte Ansteuerung des Hauptthyristors T₁ durch Einstellen des Potentiometers R₇ verändert werden und damit die Spannung an Kondensator C₄ im Mittel variiert werden.
An C₄ können sich weitere Glättungsstufen anschließen.
Dem erwähnten Spannungsreduzierer nachgeschaltet kann ein Linearregler werden, der eine nur geringe Spannungsabsenkung erreichen muß, um den Beschlagmotor gemäß Fig. 1 anzusteuern. Damit sind auch seine Verluste stark in Grenzen gehalten.
Der Vorteil der Schaltung gemäß Fig. 3 ist, daß keine hochfrequenten Schaltfrequenzen entstehen. Ein geringer Nachteil besteht in den anfallenden Verlusten, die allerdings leicht verkraftet werden, daß alle verlusttragenden Elemente mit dem metallischen Gehäuse des Beschlagmotors verbunden werden können.
Dem Linearregler kann, wie das in Fig. 2 erläutert wurde, ein Strombegrenzer 30 zugeordnet werden, der ihn dann abschaltet, wenn der Beschlagmotor an eine seiner mechanischen Schranken stößt und einen höheren Strom verlangt. Der Strombegrenzer kann ebenso auf den Zündwinkel von T₁ oder T₂ einwirken, um unmittelbar - ohne Linearregler - die Spannung ua zum Motor 1 zu reduzieren, wenn der Strom über einen Grenzwert ansteigt.

Claims (13)

1. Beschlagmotor mit Niederspannungsmotor (1), der über eine transformatorlose Spannungs-Reduktionsschaltung (T, L, D, 30) angesteuert wird.
2. Beschlagmotor nach Anspruch 1, bei dem die Spannungs- Reduktionsschaltung einen Stromsensor (RM, 30) aufweist.
3. Beschlagmotor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Spannungs-Regelschaltung (OV) von der Strombegrenzungs- Schaltung (30) angesteuert wird.
4. Beschlagmotor nach einem der vorhergehendem Ansprüche, bei dem in der Spannungs-Reduktionsschaltung eine Potentialverschiebung der Motor-Ausgangs-Spannung mittels Optokoppler (100) erreicht wird.
5. Beschlagmotor insbesondere nach einem der erwähnten Ansprüche, bei dem der Spannungs- Reduktionsschaltung (R₃, T₁, C₄) ein Linearregler nachgeschaltet ist, der die gegenüber seiner Ausgangsspanung geringfügig höhere Eingangsspannung (Ua) von der die gleichgerichtete Netzspannung (Ue) deutlich herabsetzenden Reduktionsschaltung erhält.
6. Beschlagmotor nach einem der erwähnten Ansprüche, bei dem eine Strombegrenzungs-Schaltung dem Linearregler zugeordnet ist.
7. Beschlagmotor nach einem der erwähnten Ansprüche, bei dem die Ausgangsspannung (Ua) des Linearreglers dem Beschlagmotor (1) zugeführt wird.
8. Beschlagmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das oder die verlustbehafteten Bauelemente der Spannungs-Reduktionsschaltung oder der Linearregler an dem Metallgehäuse wärmeleitend angeordnet sind/ist, in dem der Beschlagmotor (1) montiert ist.
9. Beschlagmotor nach einem der erwähnten Ansprüche, bei dem die Strombegrenzungsschaltung (30) einen Schwellenwert und eine sich daran anschließende hohe Proportionalverstärkung enthält.
10. Beschlagmotor nach einem der erwähnten Ansprüche, bei dem die Strombegrenzungsschaltung (30) eine Speicherfunktion aufweist, die das Auftreten eines Strom-Grenzwertes speichert, solange Betriebsspannung (U₀, Ue) anliegt, um nach Wiedereinschalten der Betriebsspannung den Motor (1) wieder betreiben zu können.
11. Verwendung eines transformatorlosen Spannungsreduzierers mit einem hochfrequent arbeitenden Leistungs-Schaltelement (T) für einen Beschlagmotor zum Anfahren und Erkennen von Blockier-Stellungen, insbesondere der Stellhub- Schranken (6, 3d) eines jeweils vom Beschlagmotor betätigten Beschlages oder Ausstellschere.
12. Verwendung nach Anspruch 5, bei der eine Strombegrenzungs- Schaltung den Betriebsstrom (iL) des Motors (1) überwacht, um bei Ansteigen des Betriebsstromes über einen Grenzwert die Spannungs-Reduktionsschaltung abzuschalten oder den Leistungsschalter (T) dauernd zu sperren.
13. Verwendung einer Motor-Stromerfassung zur Endlagen-Erkennung in einem Beschlagmotor für Scheren- oder Flügelbetätigung.
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