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Diese
Erfindung betrifft eine elektromagnetische Betätigungseinheit, insbesondere
eine elektromagnetische Betätigungseinheit
zum Steuern der Positionierung eines Ventils.
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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.
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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.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung bezweckt die Verbesserung von linearen Betätigungseinheiten,
insbesondere die Verbesserung von elektromechanischen linearen Betätigungseinheiten.
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Die
vorliegende Erfindung bezweckt ferner die Schaffung einer kompakten
elektromechanischen linearen Betätigungseinheit,
die eine relativ hohe Linearkraft mit hoher Geschwindigkeit abgeben
kann.
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Desweiteren
bezweckt die Erfindung die Schaffung einer elektromechanischen linearen
Betätigungseinheit
mit verbesserten Steuermöglichkeiten und
einer hohen Kraft/Hub-Charakteristik.
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Darüber hinaus
bezweckt die Erfindung die Schaffung einer kompakten elektromechanischen
linearen Betätigungseinheit,
bei der in wirksamer Weise motorerzeugte Wärme an die Umgebung abgeführt wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei
den Keilfedereinrichtungen kann es sich um Belleville-Dichtungsringe handeln.
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Die
Betätigungseinheit
kann desweiteren Drucklagereinrichtungen aufweisen, die auf die
Rotoreinheit einwirken, um die auf die Rotoreinheit einwirkenden
Axiallasten abzubauen.
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Die
Betätigungseinheit
kann ferner Drucklagereinrichtungen besitzen, die auf die Rotoreinheit einwirken,
um auf die Rotoreinheit einwirkende Druckbelastungen zu dämpfen.
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Die
Betätigungseinheit
kann desweiteren Rollenlagereinrichtungen aufweisen, die auf die
Rotoreinheit einwirken, um auf die Rotoreinheit einwirkende Radiallasten
zu dämpfen.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den beigefügten
schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert. Hiervon zeigen:
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1 eine
Schnittansicht einer linearen Betätigungseinheit; und
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2 einen
vergrößerten Schnitt
entlang Linie 2-2 in 1.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.