-
Die
vorliegende Erfindung betrifft generell elektromechanische Betätigungseinheiten,
genauer gesagt, eine elektromechanische Betätigungseinheit mit einer Timerfunktion
zur Stromumschaltung zwischen einem Antriebsmotor und einem Haltemechanismus
mit reduziertem Stromverbrauch.
-
Elektromechanische
Betätigungseinheiten werden
beispielsweise in Heiz-, Ventilations- und Klimaanlagen (HVAC) zur
Betätigung
von Schiebern oder Ventilen verwendet, die zum Steuern eines Luftstromes
dienen, und zwar insbesondere während Notfällen, bei
denen Feuer und Rauch eine Rolle spielen. Diese Betätigungseinheiten
sind typischerweise mit einer Rückzugsfunktion
versehen, mittels der der Schieber in einer vorgegebenen Fehlerposition
positioniert wird, wenn die Stromzufuhr zur Betätigungseinheit unterbrochen
wird, und zwar durch gezieltes Absperren durch eine Betriebsperson
oder durch einen Stromausfall. Auf diese Weise verschiebt die Betätigungseinheit
automatisch den Schieber ohne elektrischen Strom in eine Sicherheitsposition, um
das Leiten des Feuers und/oder Rauches in Bereiche oder das Unterbringen
desselben in Bereichen zu unterstützen, die durch einen vorher
aufgestellten Feuerverhinderungsplan festgelegt sind.
-
Die
Rückzugsfunktion
von vielen herkömmlichen
Betätigungseinheiten
wird typischerweise von einem Federmechanismus ausgeführt. Um
der Rückzugskraft
des Federmechanismus entgegenzuwirken, so dass der Schieber in der
normalen Betriebsstellung gehalten wird, findet bei einigen bekannten Betätigungseinheiten
der gleiche Motor Verwendung, der anfangs den Schieber aus der Fehlerposition
verschoben hat. Derartige Betätigungseinheiten
beziehen daher kontinuierlich Strom in einem festgefah renen Zustand,
in dem der Schieber einen mechanischen Endanschlag erreicht, der
die normale Betriebsstellung festlegt. Diese Anordnung ist nachteilig,
da die für
Feuer- und Rauch-Anwendungsfälle vorgesehenen
Betätigungseinheiten
typischerweise über
etwa 99% ihrer Lebensdauer in der normalen Betriebsstellung gehalten
werden und auf diese Weise relativ viel Strom verbrauchen. Der Stromverbrauch
wird noch signifikanter, wenn eine Vielzahl von Betätigungseinheiten
des gleichen Typs in einigen großen HVAC-Systemen Verwendung
findet, da der Gesamtstromverbrauch dieser Betätigungseinheiten über deren
Lebensdauer sehr hoch sein kann, so dass sehr hohe Kosten entstehen.
Ferner steht das Getriebe in den Betätigungseinheiten zum Antreiben
des Schiebers auf konstante Weise unter Motorlast und ist anfällig gegenüber Zahnradzahnschäden durch
60 Hz-Frequenz-Vibrationen. Ein anderes und möglicherweise noch größeres Problem
ist die hohe Wärmeentwicklung
infolge des Haltens des Motors in der festgefahrenen Position über eine
lange Zeitdauer, wodurch der Motor möglicherweise beschädigt wird.
-
Alternativ
dazu weisen einige Betätigungseinheiten
einen separaten Haltemechanismus auf, um den Schieber während des
Normalbetriebes in seiner Position zu halten. Im aktivierten Zustand
steht ein Verriegelungsmechanismus mit dem Schieber in Eingriff
und verriegelt diesen in seiner normalen Betriebsstellung. Der Verriegelungsmechanismus
benötigt
weniger Strom als der Antriebsmotor und eliminiert oder zumindest
reduziert Zahnschäden
im Getriebe. Die Betätigungseinheiten
dieses Typs sind mit einem Endschalter versehen, um zu detektieren,
ob der Schieber seine normale Betriebsstellung erreicht hat, oder
mit einer Geschwindigkeitserfassungsvorrichtung zum Detektieren,
ob die Betätigungseinheit den
Antrieb gestoppt hat. Wenn einmal festgestellt worden ist, dass
der Schieber seine normale Betriebsstellung erreicht hat, schaltet
die Betätigungseinheit
die Stromzufuhr vom Antriebsmotor auf den Verriegelungsmechanismus
um. Die Endschalter oder die Geschwindigkeitserfassungsvorrichtungen sind
jedoch teuer und können
bei den typischen erhöhten
Betriebstemperaturen dieser Betätigungseinheiten
von 350°F
oder 177°C
nur schwer realisiert werden.
-
Die
US-PS 4 554 496 beschreibt eine Drehbetätigungseinheit, die eine Steuerschaltung
besitzt, welche Einrichtungen zur Erzeugung eines Signales, das
die tatsächliche
Winkellage einer Ausgangswelle wiedergibt, und eine statische Umschalteinrichtung zum
gesteuerten Deaktivieren eines Antriebsmotors aufweist.
-
Die
US-PS 5 169 121 beschreibt eine Betätigungseinheit für einen
Schieber gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1. Die Schieberplatte wird in der offenen und
geschlossenen Position mit Hilfe eines Motors und einer Getriebeeinheit
verriegelt. Elektrische Schalter, die in Wechselbeziehung mit einer
Antriebsscheibe stehen, steuern teilweise die Aktivierung des Motors.
-
Es
ist daher ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Betätigungseinheit
zu schaffen, die auf billige und einfache Weise verwirklicht werden
kann.
-
Ein
anderes Ziel der vorliegenden Erfindung betrifft die Schaffung einer
solchen verbesserten Betätigungseinheit,
die ein Solenoid zum Verriegeln eines Schiebers in seiner normalen
Betriebsstellung umfasst.
-
Noch
ein anderes Ziel der Erfindung betrifft die Schaffung einer solchen
Betätigungseinheit,
die eine Timersteuerung zum Umschalten des Stromes zwischen einem
Antriebsmotor und dem Solenoid aufweist.
-
Noch
ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung betrifft die Schaffung
einer solchen verbesserten Betätigungseinheit,
bei der die Timersteuerung auf einer Leiterplatteneinheit mit gedruckter Schaltung
vorgesehen ist.
-
Andere
Ziele und Vorteile werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen deutlich. Hiervon zeigen:
-
1 eine
auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer elektromechanischen
Betätigungseinheit
der vorliegenden Erfindung;
-
2 eine
Draufsicht der Betätigungseinheit der 1;
und
-
3 ein
detailliertes schematisches Diagramm der Schaltung einer timergesteuerten
Schaltvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektromechanische Betätigungseinheit,
die beispielsweise zum Öffnen
und Schließen
von Schiebern oder Ventilen bei Feuer und Rauch Verwendung findet.
Die Betätigungseinheit
umfasst eine Schaltvorrichtung zur Stromzufuhr zu einem Elektromotor, um
den Schieber in seine Betriebsstellung zu führen. Wenn der Schieber einmal
seine Betriebsstellung erreicht hat, trennt die Schaltvorrichtung
die Stromzufuhr zum Motor ab und führt Strom einem Solenoid zu,
das den Schieber in seiner Betriebsstellung hält. Der Strom, der dem Solenoid
zugeführt
wird, ist wesentlich ge ringer als der vom Motor gezogene Strom, so
dass daher der Stromverbrauch durch die Betätigungseinheit auf signifikante
Weise verringert wird.
-
Allgemein
gesagt, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine elektromechanische
Betätigungseinheit,
die mit einer externen Vorrichtung verbunden werden kann, um die
externe Vorrichtung in eine vorgegebene Position zu verschieben
und in dieser Position zu halten. Die Betätigungseinheit besitzt ein
Gehäuse,
das einen Antriebsmotor zum Antreiben der externen Vorrichtung in
die vorgegebene Position, wenn der Motor aktiviert wird, und einen Bremsmechanismus
zum Halten der externen Vorrichtung in der vorgegebenen Position,
wenn der Bremsmechanismus aktiviert wird, enthält. Eine Schaltvorrichtung
erzeugt Schaltsignale zum Aktivieren des Motors zum Antreiben der
externen Vorrichtung in die vorgegebene Position und zum Deaktivieren
des Motors und zum Aktivieren des Bremsmechanismus, wenn vom Augenblick
der Erregung des Antriebsmotors an eine vorgegebene Zeitdauer vergangen
ist, um die externe Vorrichtung in der vorgegebenen Position zu
halten.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann eine Schaltvorrichtung in einer
elektromechanischen Betätigungseinheit
zum Stromumschalten zwischen einem Antriebsmotor und einem Haltemechanismus
mit niedrigem Stromverbrauch verwendet werden. Die Schaltvorrichtung umfasst
einen Schaltsignalerzeuger zum Erzeugen von Signalen zum Stromumschalten
zwischen dem Antriebsmotor und dem Haltemechanismus mit geringem
Stromverbrauch zu einem vorgegebenen Zeitpunkt und eine Steuerschaltung,
die den Signalerzeuger zum Erzeugen des Umschaltsignals aktivieren
kann. Ferner wird eine Schaltvorrichtung umfasst, die an den Antriebsmotor
und den Haltemechanismus angeschlossen ist, um Strom vom Antriebsmotor
zum Haltemechanis mus mit geringem Stromverbrauch umzuschalten, wenn
das Schaltsignal vom Schaltsignalerzeuger empfangen wird.
-
In
den 1 und 2 ist die elektromechanische
Betätigungseinheit
der vorliegenden Erfindung generell mit 10 bezeichnet und
besitzt ein unteres Gehäuse 12 (das
obere Gehäuse
ist nicht gezeigt), das so ausgebildet ist, dass es ein drehbares Ausgangskupplungselement 14 durch
ein Kupplungsloch 16 (am besten in 1 gezeigt) über einen Lagerring 18 aufnimmt.
Das Kupplungselement 14 ist so konstruiert, dass es mit
einer externen Vorrichtung, wie einem Schieber oder einem Ventil
(nicht gezeigt), in Betriebsverbindung steht und den Schieber zwischen
einer Fehlerposition im Falle einer Stromunterbrechung und einer
gewünschten
Betriebsstellung verschieben kann, wenn Strom der Betätigungseinheit 10 zugeführt wird.
-
Das
Ausgangskupplungselement 14 besitzt ein einstückiges bogenförmiges Segment 20,
das eine Vielzahl von Zähnen
aufweist, um mit einem generell mit 22 bezeichneten Getriebe
in Eingriff zu treten. Bei der bevorzugten Ausführungsform weist das Getriebe 22 vier
Zahnradsätze 24, 26, 28, 30 auf,
die miteinander kämmen.
Das Getriebe 22 ist so angeordnet, dass die Achsen der
Zahnradsätze 24, 26, 28, 30 generell
eine Zickzacklinie in Längsrichtung der
Betätigungseinheit 10 bilden.
Der Zahnradsatz 24 des Getriebes 22 steht mit
dem bogenförmigen Segment 20 des
Ausgangskupplungselementes 14 in Eingriff, während der
Zahnradsatz 30 mit einem Antriebsritzel 32 eines
Antriebsmotors 34 in Eingriff steht. Auf diese Weise wird
das vom Motor 34 erzeugte Drehmoment vom Getriebe 22 auf
das Ausgangskupplungselement 14 übertragen und verstärkt, wenn
der Motor aktiviert wird. Obwohl das bevorzugte Getriebe 22 von
der Verbindung von vier Zahnradsätzen 24, 26, 28, 30 einschließlich ihrer
entsprechenden Übertragungsritzel 35 (es
sind nicht alle Ritzel gezeigt) Gebrauch macht, versteht es sich
für den
Fachmann, dass das Getriebe 22 auch mehr oder weniger als
vier Zahnradsätze
aufweisen und in verschiedenartigen anderen Konfigurationen angeordnet
sein kann, die die Übertragung
von Drehmoment zwischen dem Antriebsmotor 34 und Ausgangskupplungselement 1 ermöglichen.
-
Wie
in 1 gezeigt, hängt
eine längliche Welle 36,
die konzentrisch zur Achse des Zahnrades 26 verläuft, von
diesem Zahnrad herab. Eine Schlitzhülse 38 ist am Ende
der Welle 36 befestigt und kann mit einem Ende einer Rückzugsfeder
(nicht gezeigt), beispielsweise einer Uhrfeder oder Torsionsfeder, verbunden
werden. Wenn der Schieber vom Ausgangskupplungselement 14 aus
der Fehlerposition heraus verschoben wird, wird die Rückzugsfeder
in einen Torsionszustand gebracht und bringt über das Getriebe 22 eine
Kraft auf das Ausgangskupplungselement 14 auf, um den Schieber
in seine Fehlerposition zurückzuführen.
-
Um
eine Rückkehr
des Schiebers in seine Fehlerposition während des Normalbetriebes der
Betätigungseinheit 10 zu
verhindern, weist die Betätigungseinheit
eine Bremseinheit 40 auf, die im aktivierten Zustand das
Getriebe 22 verriegelt, um dessen Drehung zu verhindern.
Die Bremseinheit 40 besitzt eine gleitbare Hebelbremse 42,
die einen Arm 44 (am besten in 1 gezeigt)
aufweist, der so konstruiert ist, dass er mit einem translatorisch
bewegbaren Kolben (nicht gezeigt) in einem Solenoid 46 verhakt
ist, um mit dem Kolben entsprechend zu gleiten, wenn das Solenoid 46 erregt
wird. Die Hebelbremse 42 weist ferner eine Zunge 48 auf,
die einen der Zähne
am Zahnrad 30 einfangen und das Getriebe 22 verriegeln
kann, wenn das Solenoid 46 erregt wird. Wenn das Solenoid
nicht erregt wird, drückt
eine Vorspannfeder 50 (in 1 gezeigt)
den Sole noidkolben und somit den Bremshebel 42 und dessen
Zunge 48 vom Zahnrad 30 weg, so dass sich das
Getriebe 22 entweder vom Antriebsmotor 34 oder
von der Rückzugsfeder
drehen kann.
-
Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Betätigungseinheit
des Weiteren eine Umschaltschaltung 51 zum Steuern des
dem Antriebsmotor 34 und dem Solenoid 46 zugeführten Stromes.
Die Umschaltschaltung 51 ist auf einer Leiterplatte 52 verwirklicht
und wird von einer Isolationsplatte 54 geschützt. Wie
in 3 gezeigt, umfasst die Umschaltschaltung 51 einen
Festkörper-Timer 54 sowie
einen Chip mit integrierter Schaltung (IC) vom 4541B-Typ. Eine Timersteuerschaltung 56 ist
vorgesehen, damit der Timer 54 ein gewünschtes Signal erzeugen kann.
Die Timersteuerschaltung 56 besitzt ein Paar von Widerständen 58, 60 und
einen Kondensator 62, die gemäß den Erfordernissen des Timers 54 so
ausgewählt
sind, dass der Timer das gewünschte
Signal erzeugen kann, das einem Relais 64 zugeführt wird.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
besitzen die Widerstände 58, 60 Werte
von 348 und 698 Ohm, während
der Kondensator 62 eine Kapazität von 0,001 μF aufweist.
Hierdurch kann der Timer 54 ein Signal erzeugen, das einen
Schalter 66 im Relais 64 vorzugsweise über etwa
25 sec mit dem Antriebsmotor 34 in Verbindung hält, so dass
mehr als ausreichend Zeit für
den Motor zur Verfügung steht,
den Schieber in seine normale Betriebsstellung zu verschieben. Bei
dem Relais 64 handelt es sich bei der bevorzugten Ausführungsform
um einen SPDT-Typ. Nach dieser Zeitspanne gibt der Timer 54 ein
Signal ab, das eine Trennung des Schalters 66 vom Motor 64 und
einen Anschluss an das Solenoid 46 bewirkt, wodurch die
Bremseinheit 40 zum Verriegeln des Getriebes 22 und
somit des Schiebers in seiner Betriebsstellung aktiviert wird. Der
Timer 54 ist ferner mit einem Paar von Widerständen 68, 70 zum Verringern
der Eingangswechselspannung auf ein vom Timer brauch bares Niveau
versehen. Eine Diode 71, ein Kondensator 72 und
eine Zenerdiode 74 sind abstromseitig der Widerstände 68, 70 angeschlossen,
um die Eingangswechselspannung gleichzurichten und diese auf etwa
13 VDC zu regeln, bevor sie dem Timer 54 zugeführt wird.
-
Aus
der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, dass eine verbesserte
elektromagnetische Betätigungseinheit
dargestellt und beschrieben wurde, die viele wünschenswerte Eigenschaften
und Vorteile besitzt. Die vorliegende Betätigungseinheit umfasst eine
Bremseinheit, die den Schieber in seiner normalen Betriebsstellung
hält, wobei
wesentlich weniger Strom benötigt
wird als bei einem Antriebsmotor. Ein anderer Vorteil besteht darin,
dass die vorliegende Betätigungseinheit
eine timergesteuerte Umschaltvorrichtung zum Umschalten der Stromzufuhr
vom Antriebsmotor auf die Bremseinheit aufweist. Die timergesteuerte
Umschaltvorrichtung ist billiger und kann einfacher verwirklicht
werden bei Bedingungen erhöhter
Temperatur, bei denen die Betätigungseinheiten
arbeiten müssen.
-
Obwohl
diverse Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, versteht
es sich, dass auch andere Modifikationen, Substitutionen und Alternativen
für den
Fachmann augenscheinlich sind. Diese Modifikationen, Substitutionen
und Alternativen können
durchgeführt werden,
ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, der durch die Ansprüche festgelegt
wird.
-
Diverse
Merkmale der Erfindung sind in den Patentansprüchen wiedergegeben.
-
Wenn
die in den Patentansprüchen
erwähnten
technischen Merkmale Bezugszeichen aufweisen, dann dienen diese
Bezugszeichen lediglich dem Zweck, das Verständnis der Patentansprüche zu verbessern.
Derartige Bezugszeichen haben daher keinerlei begrenzende Wirkung
auf den Schutzumfang eines jeden Elementes, das beispielhaft durch
derartige Bezugszeichen identifiziert wird.