DE60201962T2 - Kompakter elektromechanischer Linearstellantrieb - Google Patents

Kompakter elektromechanischer Linearstellantrieb Download PDF

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Description

  • Diese Erfindung betrifft eine elektromagnetische Betätigungseinheit, insbesondere eine elektromagnetische Betätigungseinheit zum Steuern der Positionierung eines Ventils.
  • Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf eine extrem kompakte elektromagnetische Betätigungseinheit. Betätigungseinheiten sind bekannt und finden für viele Anwendungsfälle Verwendung, bei denen eine hin- und hergehende Linearbewegung für irgendeinen gewünschten Zweck benötigt wird. Diese hydraulischen oder pneumatischen Vorrichtungen sowie elektrisch angetriebene Vorrichtungen und in einem gewissen Ausmaß auch pneumatische Betätigungseinheiten können in kompakten Packungen angeordnet sein und gleichzeitig relativ große Kräfte zur Verfügung stellen. Bei diesen Vorrichtungen entstehen jedoch Lecks, die sie über eine gewisse Zeit unzuverlässig machen oder außer Betrieb setzen.
  • Elektrisch angetriebene Vorrichtungen werden generell als elektromagnetische Betätigungseinheiten bezeichnet und sind zuverlässiger als hydraulische und pneumatische Vorrichtungen und besitzen eine längere Lebensdauer. Desweiteren ermöglichen diese elektrisch angetriebene Vorrichtungen eine bessere Steuerung in bezug auf die Positionierung einer Vorrichtung. Die elektrisch angetriebenen Vorrichtungen benötigen jedoch mehr Raum als die hydraulischen und pneumatischen Vorrichtungen. Die Wärmeabführung stellt manchmal bei elektrischen Vorrichtungen ein Problem dar, insbesondere dann, wenn man versucht, eine kompakte Betätigungseinheit in einer kleinen Packung unterzubringen.
  • Bekannte Betätigungseinheiten sind beispielsweise in den folgenden Veröffentlichungen des Standes der Technik beschrieben: FR-A-2 592 535 35, US-A-5 954 258 oder US-A-3 693 759.
  • Die vorliegende Erfindung bezweckt die Verbesserung von linearen Betätigungseinheiten, insbesondere die Verbesserung von elektromechanischen linearen Betätigungseinheiten.
  • Die vorliegende Erfindung bezweckt ferner die Schaffung einer kompakten elektromechanischen linearen Betätigungseinheit, die eine relativ hohe Linearkraft mit hoher Geschwindigkeit abgeben kann.
  • Desweiteren bezweckt die Erfindung die Schaffung einer elektromechanischen linearen Betätigungseinheit mit verbesserten Steuermöglichkeiten und einer hohen Kraft/Hub-Charakteristik.
  • Darüber hinaus bezweckt die Erfindung die Schaffung einer kompakten elektromechanischen linearen Betätigungseinheit, bei der in wirksamer Weise motorerzeugte Wärme an die Umgebung abgeführt wird.
  • Erfindungsgemäß wird eine elektromechanische Betätigungseinheit geschaffen, die die folgenden Bestandteile umfaßt:
    ein Gehäuse, das eine sich durch das Gehäuse erstreckende Öffnung aufweist, die um eine Achse zentriert ist;
    einen bürstenfreien Servomotor mit einer Rotoreinheit, die im Gehäuse zur Drehung um die Achse montiert ist, wobei der Servomotor und ein Stator die Rotoreinheit umgeben und der Servomotor einen Permanentmagnet und der Stator die Wicklungen des Servomotors enthält;
    einen konischen kreisförmigen Keil, der zwischen den Stator und die Innenwand des Gehäuses verkeilt ist, um den Stator im Gehäuse stationär zu lagern;
    eine Kugelumlaufspindel, die entlang der Achse ausgerichtet ist und ein konisches Ende aufweist, das innerhalb eines komplementär ausgebildeten konischen Loches in der Rotoreinheit befestigt ist, so daß sich die Spindel nach außen über ein Ende der Rotoreinheit hinaus erstreckt;
    eine Kugelumlaufspindelmutter, die auf dem sich nach außen erstreckenden Ende der Spindel montiert ist, so daß sie sich axial entlang der Spindel bewegt, wenn diese vom Servomotor gedreht wird;
    eine Druckstangeneinheit, die gleitend in einer Endwand des Gehäuses enthalten und mit der Kugelumlaufspindelmutter zur Durchführung einer Bewegung entlang der Achse verbunden ist; und
    Steuereinrichtungen, die mit dem Servomotor verbunden sind, um diesen zu aktivieren und die Druckstangeneinheit eine gewünschte lineare Distanz vorzubewegen oder zurückzuziehen.
  • Die elektromagnetische lineare Betätigungseinheit besitzt eine Hohlspindel und einen bürstenfreien Servomotor, der in einem kompakten Gehäuse enthalten ist. Der Motor besitzt einen Stator, der die Motorwicklungen enthält und an einer Innenwand des Gehäuses über einen konischen Keil befestigt ist, der aus einem Material hergestellt ist, das einen hohen Wärmeleitkoeffizienten besitzt. Das Gehäuse ist mit Rippen versehen, die den Motor umgeben, um Wärme auf wirksame Weise in die unmittelbare Umgebung abzuführen. Federn finden Verwendung, um den den Motorstator an Ort und Stelle lagernden Keil zu halten und eine Verschiebung des Stators über einen breiten Temperaturbereich zu verhindern. Eine Rotoreinheit ist im Gehäuse enthalten und besitzt eine verlängerte Kugelumlaufspindel, die entlang der Achse des Motors ausgerichtet ist und mit einer Kugelumlaufspindelmutter zuammenwirkt, um eine Druckstange zu positionieren. Die Druckstange und die Kugelumlaufspindelmutter sind zu einer linearen Führung verbunden, um die Druckstange entlang einer linearen Bewegungsbahn zu leiten.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Kugelumlaufspindelmutter einen ersten radial verlaufenden Flansch und umfaßt die Druckstangeneinheit eine zweiten radial ver laufenden Flansch und desweiteren Einrichtungen zum Verbinden der Flansche, so daß sich die Druckstangeneinheit axial mit der Kugelumlaufspindelmutter bewegt.
  • Die Betätigungseinheit kann axial verlaufende Führungen, die im Gehäuse enthalten sind, und Lagereinrichtungen, die den Flanschen zugeordnet sind, aufweisen, um die Kugelumlaufspindelmutter und die Druckstangeneinheit entlang der Achse des Gehäuses zu führen.
  • Die Betätigungseinheit kann eine Endkappe aufweisen, die auf einem Ende der Rotoreinheit montiert ist und eine axial ausgerichtete Stummelwelle besitzt, die von der Endkappe vorsteht, sowie einen Drehmelder, der an der Stummelwelle befestigt ist, um Motorpositionsinformationen den Steuereinrichtungen zuzuführen.
  • Vorzugsweise besitzt das Gehäuse einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt, der ein halsförmig ausgebildetes Ende besitzt, das sich teleskopförmig in die Öffnung des ersten Abschnittes benachbart zum Motorstator erstreckt, und Keilfedereinrichtungen aufweist, die zwischen dem halsförmigen Ende des zweiten Abschnittes wirken, um den Keil axial in eine feste Statorhalteposition zu drücken.
  • Bei den Keilfedereinrichtungen kann es sich um Belleville-Dichtungsringe handeln.
  • Die Betätigungseinheit kann desweiteren Drucklagereinrichtungen aufweisen, die auf die Rotoreinheit einwirken, um die auf die Rotoreinheit einwirkenden Axiallasten abzubauen.
  • Die Betätigungseinheit kann ferner Drucklagereinrichtungen besitzen, die auf die Rotoreinheit einwirken, um auf die Rotoreinheit einwirkende Druckbelastungen zu dämpfen.
  • Die Betätigungseinheit kann desweiteren Rollenlagereinrichtungen aufweisen, die auf die Rotoreinheit einwirken, um auf die Rotoreinheit einwirkende Radiallasten zu dämpfen.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert. Hiervon zeigen:
  • 1 eine Schnittansicht einer linearen Betätigungseinheit; und
  • 2 einen vergrößerten Schnitt entlang Linie 2-2 in 1.
  • Die Zeichnungen zeigen eine kompakte elektromechanische lineare Betätigungseinheit, die generell mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist. Obwohl die vorliegende Erfindung zum Steuern der Positionierung eines Ventils geeignet ist, kann die Betätigungseinheit auch in vielen anderen ähnlichen Anwendungsfällen Verwendung finden, beispielsweise bei der Steuerung der Einlaßflügel einer Drehmaschine o. ä. Die Betätigungseinheit besitzt ein zylindrisches Gehäuse 12, das einen Mittelabschnitt 13 und zwei Endabschnitte 14 und 15 aufweist. Die Abschnitte sind zusammen teleskopartig angeordnet, wie in 1 gezeigt, wobei sie über geeignete Einrichtungen, beispielsweise eine Preßpassung, Schraubverbindungen oder Schrauben, wie beispielsweise die Schraube 17, aneinander befestigt sind. Der Endabschnitt 14 wird durch eine Endkappe 18 geschlossen. Der Endabschnitt 15 wird in entsprechender Weise durch eine zweite Endkappe 20 geschlossen. Ein bürstenfreier Permanentmagnet-Servomotor, der generell mit 22 bezeichnet ist, ist im Mittelabschnitt 13 des Gehäuses untergebracht. Die Statoreinheit 24 des Motors ist an der Innenwand des Gehäuses mit Hilfe eines ringförmigen Keiles 25 in einem stationären Zustand angebracht. Der Keil umfaßt eine schräge Außenfläche 26, die in eine schräge Öffnung im Gehäuse eingepaßt ist, welche an die Schräge des Keiles angepaßt ist. Bei der Montage wird der Keil fest zwischen den Körper der Statoreinheit und die schräge Wand des Gehäuses eingesetzt, um den Motorstator sicher in einem stationären Zustand zu halten. Bei dieser Anordnung enthält der Stator die Wicklungen des Motors.
  • Die generell mit 30 bezeichnete Motorrotoreinheit ist drehbar im Gehäuse gelagert, so daß der Motorrotor 31, der eine Reihe von magnetischen Elementen enthält, sich um die Mittelachse 32 des Gehäuses dreht. Wie nachfolgend in größeren Einzelheiten erläutert wird, ist der Servomotor so ausgebildet, daß er aufgrund seiner geringen rotierenden Trägheit eine hohe Energiedichte besitzt und eine stark verbessertes thermisches Verhalten aufweist. Dieser Typ von Motor wird generell als bürstenfreier Gleichstrommotor bezeichnet, der sich ähnlich verhält wie ein mit Bürsten versehener Gleichstrommotor, ausgenommen das Kommutationsverfah ren. Der bürstenfreie Motor wird von einer elektronischen Steuereinheit 35 und nicht von Bürsten und Kommutatorstangen kommutiert. Da es keine Bürsten gibt, die verschleißen können, ist über die Lebensdauer des Motors überhaupt keine oder nur eine geringe Wartung des Motors erforderlich.
  • Der Motorrotor ist auf einer Nabe gelagert, die generell mit 40 bezeichnet ist und drehbar im Mittelabschnitt des Gehäuses in einem Kugellager 41 gelagert ist. Die Nabe enthält desweiteren eine radial verlaufende Schulter 42, die einen Raum zwischen einer benachbarten Schulter 43 auf dem Mittelabschnitt 13 des Gehäuses bildet. Ein Drucklager 45 ist im Raum zwischen den beiden Schultern montiert, um jedwede axiale Belastung aufzunehmen, die auf die Rotoreinheit ausgeübt wird. Ein Endverschluß 47 ist am Lagerende der Rotoreinheit montiert und enthält einen Flansch 48, der so angeordnet ist, daß er das Kugellager 41 kontaktiert. Ein Spalt 49 wird zwischen dem Endverschluß und der Nabe gehalten, und eine Reihe von beabstandeten Schrauben 50 erstreckt sich durch den Endverschluß und ist in die Nabe geschraubt. Durch das Anziehen der Schrauben werden die Schultern 42 und 43 aneinandergezogen und sichern auf diese Weise das Drucklager in einem vorgespannten Zustand in der Rotoreinheit. Aus dem gleichen Grunde ist eine Umfassung zwischen der Schulter 43 und dem Flansch 48 vorgesehen, die auf dem Endverschluß angeordnet ist. Ein oder mehrere Belleville-Dichtungsringe sind zwischen dem Keil 25 und dem Endabschnitt 15 des Gehäuses montiert, um eine Haltekraft gegen den Keil auszuüben.
  • Der Endverschluß enthält einen verlängerten Nasenabschnitt 55, der drehbar im linken Endabschnitt 14 montiert ist, wie in 1 gezeigt. Der Nasenabschnitt findet wiederum Verwendung, um einen Teil des elektronischen Drehmelders 90 zu lagern, der dazu verwendet wird, Positionsdaten zusammen mit Motorsteuerdaten der Steuereinheit 35 zuzuführen.
  • Eine generell mit 63 bezeichnete Kugelumlaufspindeleinheit ist in der Rotornabe montiert. Die Kugelumlaufspindeleinheit besitzt eine Spindel 65, die koaxial zur Mittellinie 32 des Gehäuses ausgerichtet ist. Eine Kugelumlaufspindelmutter 66 ist auf der Kugelumlaufspindel 65 montiert und kann sich linear entlang der Achse der Kugelumlaufspindel bewegen, wenn sich die Spindel mit dem Rotor dreht. Die Kugelumlaufspindeleinheit des dargestellten Typs ist von der Firma Hewin Corporation und Jena Tech, Inc., USA oder anderen erhältlich.
  • Das linke Ende der Kugelumlaufspindel enthält einen konischen Abschnitt 68, der in einer komplementär ausgebildeten Öffnung enthalten ist, die in der Wand 69 des Nabenrotors 40 ausgebildet ist. Das Ende der Spindel besitzt desweiteren eine Gewindenut 70, die sich durch die Wand 69 erstreckt und mit einer Mutter 71 kämmt. Durch das Anziehen der Mutter wird der konische Abschnitt der Spindel fest nach unten in die komplementär ausgebildete Öffnung in der Nabenwand gezogen, um auf diese Weise die Spindel fest in der Nabe zu verriegeln.
  • Das gegenüberliegenden Ende der Kugelumlaufspindel kann frei in einem Sackloch 73 laufen, das in einer Druckstan geneinheit 75 ausgebildet ist. Die Druckstangeneinheit besitzt eine Längsstange 76 mit einer Druckscheibe 77, die am distalen Ende der Stange angeordnet ist. Ein Endflansch 78 befindet sich am proximalen Ende der Stange. Der Endflansch 78 der Druckstangeneinheit ist benachbart zu einem zweiten Flansch 79 angeordnet, der auf der Kugelumlaufspindelmutter 66 vorgesehen ist, wobei beide über eine Reihe von Schrauben 80 (2) verbunden sind. Wie am besten in 2 gezeigt, ist jeder Flansch mit einem Paar von Kugellagern 83 versehen, die so angeordnet sind, daß sie in Längsführungen 84 laufen, die im Endabschnitt 15 des Gehäuses ausgebildet und parallel zur Achse 32 des Gehäuses ausgerichtet sind. Die Lager sind in der Führung gefangen und verhindern eine Drehung der Kugelumlaufspindelmutter, während sie gleichzeitig sicherstellen, daß sich die Mutter und die Druckstangeneinheit entlang einer linearen Bewegungsbahn bewegen.
  • Eine elektronische Drehmeldereinheit 90 ist auf einer Innenschulter 91 montiert, die im Endabschnitt 14 des Gehäuses ausgebildet ist. Der Drehmelder ist eine Kombination aus einem Stator und einem Rotor. Der Drehmelderstator ist auf dem Gehäuse 14 montiert, während der Rotor auf der Spindel 55 montiert ist. Der Drehmelder ist konzentrisch zum Motorrotor montiert, um exakte Motorpositionsdaten über die Leitung 94 der Steuereinheit 35 zuzuführen. Die Motorsteuereinheit benutzt die Positionsdaten, um den Motorphasenstrom für die Abgabe eines optimalen Motordrehmomentes einzustellen, was auch als Kommutationsprozeß bezeichnet wird. Drehmelder dieser Art sind von der Firma Admotec, Inc. (USA) erhältlich und besitzen Wicklungen und Eisengehäusematerialien, die denen des Motors entsprechen.
  • Die Motorsteuereinheit ist extern in einer EMI-Umfassung montiert, die ferner die notwendigen Kondensatoren und Filter enthält, um eine Anpassung an lange Kabel einer Länge von bis zu mindestens 150 m zu ermöglichen. Die Steuereinheit arbeitet auf Mikroprozessorbasis und betreibt die Positionierungsschleife der Betätigungseinheit. Sie überwacht die Rotorposition über den Drehmelder und gibt einen sinusförmigen Strom über die Leitung 97 an die Motorwicklung ab, um das Motordrehmoment zu steuern. Die Steuereinheit verwendet eine Pulsbreitenmodulierung für mit hoher Effizienz arbeitende Regler des Motorphasenstromes.
  • Der Statorkeil 25 und der Mittelabschnitt 13 des Betätigungseinheitsgehäuses sind jeweils aus einem Material mit einem hohen Wärmeleitkoeffizienten hergestellt. Ferner ist der Mittelabschnitt des Gehäuses mit einer Vielzahl von Wärmeaustauschrippen 99 versehen, die den Mittelabschnitt des Gehäuses umgeben. Daher wird überschüssige Wärme, die von den Motorwicklungen erzeugt wird, rasch und wirksam in die Umgebung abgeführt, um dadurch die Temperatur im Gehäuse auf einem niedrigen Niveau, d. h. einem Niveau, bei dem die mechanischen und elektrischen Komponenten, die im Gehäuse angeordnet sind, thermisch nicht beschädigt werden, zu halten. Wie vorstehend erwähnt, wird der Statorkeil durch einen vorgespannten Belleville-Dichtungsring an Ort und Stelle gehalten, so daß sich der Keil durch Wärmespannungen nicht aus seiner Halteposition verschiebt.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, die in der Zeichnung gezeigt ist, versteht es sich für den Fachmann, daß diverse Änderungen im Detail durchgeführt werden können, ohne den Umfang der Erfindung, der in den Patentansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Claims (9)

  1. Elektromagnetische Betätigungseinheit (10) mit einem Gehäuse (12), das eine sich durch das Gehäuse erstreckende Öffnung aufweist, die um eine Achse (32) zentriert ist; einem bürstenfreien Servomotor (22) mit einer Rotoreinheit (30), die im Gehäuse zur Drehung um die Achse montiert ist, wobei der Servomotor und ein Stator (24) die Rotoreinheit umgeben und der Servormotor einen Permanentmagnet und der Stator die Wicklungen des Servomotors enthält; einem konischen kreisförmigen Keil (25), der zwischen den Stator und die Innenwand des Gehäuses fest verkeilt ist, um den Stator im Gehäuse stationär zu lagern; einer Kugelumlaufspindel (65), die entlang der Achse ausgerichtet ist und ein konisches Ende (68) aufweist, das innerhalb eines komplementär ausgebildeten konischen Loches in der Rotoreinheit befestigt ist, so daß sich die Spindel nach außen über ein Ende der Rotoreinheit hinaus erstreckt; einer Kugelumlaufspindelmutter (66), die auf dem sich nach außen erstreckenden Ende der Spindel montiert ist, so daß sie sich axial entlang der Spindel bewegt, wenn diese vom Servomotor gedreht wird; einer Druckstangeneinheit (75), die gleitend in einer Endwand des Gehäuses enthalten und mit der Kugelumlaufspindelmutter zur Durchführung einer Bewegung entlang der Achse verbunden ist; und Steuereinrichtungen (35), die mit dem Servomotor verbunden sind, um diesen zu aktivieren und die Druckstangeneinheit eine gewünschte lineare Distanz vorzubewegen oder zurückzuziehen.
  2. Betätigungseinheit nach Anspruch 1, bei der die Kugelumlaufspindelmutter (66) einen ersten radial verlaufenden Flansch (79) und die Druckstangeneinheit (75) einen zweiten radial verlaufenden Flansch (78) aufweist und die desweiteren Einrichtungen (80) zum Verbinden der Flansche besitzt, so daß sich die Druckstangeneinheit axial mit der Kugelumlaufspindelmutter bewegt.
  3. Betätigungseinheit nach Anspruch 2, die desweiteren axial verlaufende Führungsbahnen (84), die im Gehäuse enthalten sind, und Lagereinrichtungen (83) aufweist, die den Flanschen zugeordnet sind, um die Kugelumlaufspindelmutter und die Druckstangeneinheit entlang der Achse des Gehäuses zu führen.
  4. Betätigungseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, die desweiteren eine Endkappe (47), die auf einem Ende der Rotoreinheit montiert ist und eine axial ausgerichtete Stummelwelle (55) besitzt, die von der Endkappe vorsteht, und einen Drehmelder (90) aufweist, der an der Stummelwelle befestigt ist, um Motorpositionsinformationen den Steuereinrichtungen (35) zuzuführen.
  5. Betätigungseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Gehäuse (12) einen ersten Abschnitt (13) und einen zweiten Abschnitt (15) aufweist, der ein halsförmig ausgebildetes Ende besitzt, das sich teleskopförmig in die Öffnung des ersten Abschnittes benachbart zum Motorstator (24) erstreckt, und Keilfedereinrichtungen besitzt, die zwischen dem halsförmigen Ende des zweiten Abschnittes wirken, um den Keil (25) axial in eine feste Statorhalteposition zu drücken.
  6. Betätigungseinheit nach Anspruch 5, bei der die Keilfedereinrichtungen Tellerfedern umfassen.
  7. Betätigungseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, die desweiteren Axialdrucklagereinrichtungen (45) aufweist, die auf die Rotoreinheit einwirken, um auf die Rotoreinheit einwirkende Axialbelastungen abzubauen.
  8. Betätigungseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, die desweiteren Axialdrucklagereinrichtungen (45) aufweist, die auf die Rotoreinheit einwirken, um Axialdruckbelastungen auf die Rotoreinheit zu dämpfen.
  9. Betätigungseinheit nach Anspruch 8, die desweiteren Rollenlagereinrichtungen (41) aufweist, die auf die Rotoreinheit einwirken, um auf die Rotoreinheit einwirkende Radiallasten zu dämpfen.
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