KR20200049765A - 안전 작동 기능을 포함한 작동 유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공정 처리 설비의 공정 유체 유동을 설정하는, 밸브 부재와 같은 액추에이터를 작동시키기 위한 안전 작동 기능을 포함한 작동 유닛에 관한 것이며, 상기 작동 유닛은, 액추에이터를 작동시키기 위한 토크를 공급하기 위한, 브러시리스 직류 모터와 같은 전기 모터와; 전기 모터에서부터 액추에이터로 토크를 전달하기 위해 액추에이터와 전기 모터를 연결하기 위한 토크 전달 연결부이며, 모터 샤프트, 기어장치, 바람직하게는 다단 유성기어장치, 및 출력 샤프트를 포함하고 분리 가능한 클러치는 없는 상기 토크 전달 연결부와; 안전 위치로 액추에이터를 이동시키기 위한 강제 작용을 토크 전달 연결부 내로 유도하는, 특히 기계식 스프링 어큐뮬레이터와 같은 강제 작동 수단을; 포함한다.

Description

안전 작동 기능을 포함한 작동 유닛
본 발명은 공정 처리 설비(processing installation)의 공정 유체 유동(process fluid flow)을 설정하는, 밸브 부재와 같은 액추에이터를 작동시키기 위한 안전 작동 기능을 포함한 작동 유닛에 관한 것이다. 이를 위해, 안전 작동 기능을 포함한 작동 유닛은, 비상 상황에서, 예컨대 정전 시, 제어되는 비상 위치로 공정 유체 유동을 설정하는 액추에이터를 이동시킬 수 있다. 밸브 부재의 비상 위치는 예컨대 완전 개방된 밸브 위치 또는 완전 폐쇄된 밸브 위치일 수 있다. 일반적인 작동 유닛들은, 화학 설비, 예컨대 석유 화학 설비, 양조장과 같은 식품 처리 설비, 발전소, 예컨대 원자력 발전소 등과 같은 공정 처리 설비들에서 사용된다. 민감한 공정의 폐루프 제어를 위해, 상기 설비들의 경우, 반드시, 제어되지 않는 작동 상태의 발생은 확실하게 배제되어야 한다. 공정 처리 설비에서 개별 컴포넌트들, 어셈블리들 또는 공정들에 장애가 있는 경우, 안전 작동 기능을 포함한 작동 유닛은 예컨대 배기 밸브(vent valve)의 정의된 비상 위치를 보장하는 목적을 위해 이용된다.
안전 작동 기능 및 전기 작동 모드를 포함한 일반적인 작동 유닛은 예컨대 DE 195 19 638 A1호로부터 공지되어 있다. 공지된 작동 유닛은 밸브의 작동을 위한 안전 작동 기능을 갖는 밸브 작동 구동부를 포함한다. 공지된 작동 유닛의 경우, 회전 방향과 관련하여 전환될 수 있는 구동 모터가 제공되며, 이 구동 모터의 구동력은 기어장치를 통해 밸브 작동을 위한 태핏(tappet)에 작용할 수 있다. 또한, 작동 유닛은 전자기식 브레이크 내지 클러치와, 태핏에 작용하는 스프링 어큐뮬레이터를 포함하며, 스프링 어큐뮬레이터는 작동 유닛의 정상 작동 모드(normal operation mode) 중에 전자기식 브레이크 내지 클러치의 작용을 통해 구동 모터와 연결된다. 전류 공급부의 고장 시, 공지된 작동 유닛에서 밸브는, 안전을 이유로, 전기 모터와 태핏 간의 전기 클러치가 분리됨으로써 밸브를 그의 정의된 위치(폐쇄 위치)로 이동시키기 위해 스프링 어큐뮬레이터가 태핏에 작용하면서, 정의된 밸브 위치, 일반적으로 폐쇄된 밸브 위치로 이동된다. 공지된 작동 유닛의 경우, 구동용 전기 모터는, 작동 밸브를 폐쇄 위치로 밀어붙이는 스프링 어큐뮬레이터의 지속되는 작용에도 불구하고 액추에이터를 설정 위치(set position)로 이동시키기 위해 충분한 최소 토크를 공급하도록 구성된다. 공지된 작동 유닛은 실제 적용 분야에서 적합한 것으로 입증되었고 큰 호평을 받고 있다. 그러나 공지된 작동 유닛의 기능성을 보다 더 작은 장착 공간 내에 마련하고 작동 유닛의 구입 비용 및 유지 비용은 최대한 낮아져야 한다는 요구가 존재한다.
본 발명의 과제는, 선행 기술의 단점들이 극복되고 특히 필요한 장착 공간이 감소되며, 바람직하게는 그와 동시에 구입 비용 및 운영 비용이 유지되거나 감소되는 것인 안전 작동 기능을 포함한 작동 유닛을 제공하는 것에 있다.
상기 과제는 독립 청구항 제1항의 대상을 통해 해결된다.
그에 따라서, 공정 처리 설비들, 예컨대 화학 설비, 예컨대 석유 화학 설비, 양조장과 같은 식품 처리 설비, 원자력 발전소와 같은 발전소 등의 공정 유체 유동을 설정하는, 밸브 부재와 같은 액추에이터를 작동시키기 위한 안전 작동 기능을 포함한 작동 유닛이 제공된다. 본 발명에 따른 작동 유닛은 액추에이터의 작동을 위한 토크를 제공하기 위한, 브러시리스 직류 모터(BLDC)와 같은 전기 모터를 포함한다. 전기 모터는 바람직하게는 로터와 스테이터를 포함한다. 로터 및/또는 스테이터는 각각 적어도 3개의 자기 코일(magnetic coil)을 포함한다. 전기 모터 및/또는 스테이터는 적어도 하나의 영구 자석을 포함할 수 있다. 전기 모터는 특히 분당 1,500회 이상의 회전수, 바람직하게는 3,000U/min 이상, 특히 바람직하게는 10,000U/min 이상의 회전수, 바람직하게는 공칭 회전수로 작동될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 작동 유닛은 전기 모터에서부터 액추에이터로 토크를 전달하기 위해 액추에이터와 전기 모터를 연결하기 위한 토크 전달 연결부(torque transmitting connection)도 포함한다. 토크 전달 연결부는 모터 샤프트, 기어장치, 바람직하게는 다단 유성기어장치, 및 출력 샤프트를 포함한다. 토크 전달 연결부는 특히 전기 모터에서부터 액추에이터까지의 운동학적 연결부(kinematic connection)이며, 그리고 전기 모터와 액추에이터 사이에서 작동 가능한 모든 토크 전달 컴포넌트를 포함한다.
토크 전달 연결부에는 분리 가능한 클러치가 없다. 바람직하게, 토크 전달 연결부는 모터 샤프트, 기어장치 및 출력 샤프트로 구성된다. 모터 샤프트는 바람직하게는 전기 모터의 단일의 샤프트이고 전기 모터의 하우징에서부터 외부로 연장된다. 출력 샤프트 또는 모터 샤프트는 전기 모터의 축 방향으로 전기 모터를 관통할 수 있다. 특히 바람직하게 축 방향으로 전기 모터의 직상류 및/또는 직하류에 모터 샤프트를 지지하기 위한 구름 베어링 어셈블리(rolling bearing assembly), 특히 볼 베어링이 배치되는 점을 생각해볼 수 있다. 기어장치는 바람직하게는 감속 기어장치로서 형성된다. 이는 단단 유성기어장치 또는 다단 유성기어장치일 수 있다. 바람직하게 기어장치는 셀프 록킹(self-locking)되지 않는다. 바람직하게 전체 토크 전달 유닛도 셀프 록킹되지 않는다. 토크 전달 유닛의 기어장치, 바람직하게 유성기어장치는 바람직하게는 360° 이상, 720° 이상, 1,440° 이상, 3,600° 이상, 또는 심지어 7,200° 이상의 전기 모터의 회전을, 예컨대 180° 이하, 바람직하게는 135° 이하, 특히 바람직하게는 90° 이하인 보다 작은 출력 측 회전 이동으로 변환하도록 구성된다. 바람직하게 토크 전달 유닛의 기어장치는 전기 모터의 구동 측 회전을 500:1, 1000:1, 5000:1의 감속비에 따라서 감속하도록, 또는 출력 측 회전 이동으로 변환하도록 구성된다. 그 대안으로, 또는 그에 추가로, 토크 전달 장치는 스퍼 기어장치 또는 적어도 하나의 스퍼 기어단을 포함할 수 있다. 토크 전달 연결부는 회전 출력 샤프트 이동을 병진 액추에이터 이동으로 변환하기 위한 회전-병진 변환 기어장치를 포함할 수 있다. 그 대안으로, 특히 회전 밸브로서 형성되는 액추에이터는 회전 작동 이동을 병진 작동 이동으로 변환하지 않으면서 작동될 수 있다. 액추에이터는 바람직하게는 밸브 부재이며, 액추에이터는 실질적인 밸브 부재 몸체와 단일 부재형 또는 다중 부재형 밸브 로드(valve rod)를 포함할 수 있다. 예컨대 바람직하게는 상호 간에 동축으로 배치되는 2개 이상의 로드 섹션으로 구성되어 하나 이상의 로드 커넥터에 의해 조립되는 다중 부재형 밸브 로드들은, 보통 밸브 부재의 조립 또는 조정을 수월하게 하기 위해 사용된다.
전기 모터는 바람직하게는 3-연선형 3상 권선(three-stranded three-phase winding)을 포함하며, 그리고 예컨대 마이크로컨트롤러 또는 마이크로프로세서를 포함하는 제어 전자 시스템(control electronic system)을 통해 제어될 수 있다. 전기 모터는 바람직하게는 그 개수가 3상 권선의 코일들의 권선수와 상응할 수 있는 기결정 개수의 영구 자석을 포함한 영구 여기형 모터(permanently-excitable motor)를 포함한다. 바람직하게 전기 모터는 적어도 하나의 영구 자석을 구비한 로터와, 3상 권선의 전자석들이 연결되어 있는 스테이터를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 작동 유닛은, 안전 위치로 액추에이터를 이동시키기 위한 강제 작용을 토크 전달 연결부 내로 유도하는, 특히 기계식 스프링 어큐뮬레이터, 특히 회전 스프링 어큐뮬레이터와 같은 강제 작동 수단(forced actuating means)도 포함한다.
클러치 없는 토크 전달 연결부를 통해, 모터와 출력부는 항상 토크를 전달하는 방식으로 연결된다. 본 발명에 따른 작동 유닛의 경우, 작동에 따라서, 토크 전달 연결부의 분리는 불가능하다. 본 발명에 따른 작동 유닛은 무전류 상태에서 실질적으로 토크가 없는 전기 모터를 이용하며, 이런 전기 모터는 강제 수단이 작동 구동부를 그의 안전 위치로 이동시키는 것을 방해하지 않는다. 전기 모터에서부터 출력 샤프트 쪽으로 토크 전달을 위해 기어장치, 특히 감속 기어장치를 이용하는 안전 작동 기능을 포함한 작동 유닛이 안전한 경우 기어장치 또는 모터로부터 출력 샤프트를 분리함으로써 강제 수단이 출력 샤프트를 안전 위치로 이동시킬 수 있게 하는 클러치를 필요로 하는 통용되는 사상(idea)과 반대로, 본 발명의 경우, 놀라운 방식으로, 전기 모터의 이용이, 특히 유성기어장치와 함께, 분리 가능한 클러치가 없는 안전 작동 기능을 허용하는 것으로 확인하였다. 이런 놀라운 지식 덕분에, 본 발명에 따른 작동 유닛 어셈블리는 클러치를 배제할 수 있고 클러치를 위해 필요한 장착 공간을 절약할 수 있다. 동일하게, 클러치의 구입 및 장착을 위한 비용도 피할 수 있다. 그럼에도 신뢰성이 있는 안전 작동 기능은 무제한으로 존재하는 상태로 유지된다.
본 발명에 따른 작동 구동부의 바람직한 실시예에 따라서, 전기 모터는 기결정 작동 상태들로서 구동 상태, 유지 상태(holding state), 제동 상태 및/또는 프리휠 상태(freewheel state)를 포함한다. 상응하는 개선예에 따라서, 작동 유닛은 전기 모터의 기결정 작동 상태들 중 하나를 야기하기 위한 모터 제어 전자 시스템을 포함한다. 구동 상태는, 예컨대 영구 여기형 스테이터(또는 로터)에 토크를 전달하기 위해, 바람직하게는 순환하는 순서로, 전기 모터의 전자기 코일들 내지 전자석들의 회전 제어, 바람직하게는 쌍을 이루는 제어를 포함하며, 그럼으로써 전기 모터는 구동 이동을 실행하게 된다. 전기 모터는 바람직하게는 다중 연선형(multi-stranded), 특히 3연선형 3상 권선을 포함하며, 그리고 예컨대 아날로그 블록 회로, 마이크로컨트롤러 또는 마이크로프로세서를 포함하는 제어 전자 시스템을 통해 제어될 수 있다. 다중 연선형 3상 권선을 포함하는 전기 모터의 경우, 복수의 코일은 코일 그룹들로 통합되어 각각 하나의 상 권선(phase winding)에 할당될 수 있다. 제어 전자 시스템은 바람직하게는 코일 그룹의 코일들을 공동으로, 그리고/또는 동일한 제어 신호로 제어하도록 구성될 수 있다. 특히 제어 전자 시스템은 다른 코일 그룹들로부터 독립적으로 각자의 코일 그룹을 제어하도록 구성될 수 있다.
전기 모터의 유지 상태에서, 전기 모터의 코일들 내지 전자석들 또는 코일 그룹들은 일정한 유지 전류(holding current)에 의해 제어될 수 있다. 유지 상태에서, 특히 직경 방향으로 대향하여 위치하는 코일들의 하나의 쌍, 특히 직경 방향으로 대향하여 위치하는 코일들의 2개의 쌍, 또는 각각 특히 직경 방향으로 대향하여 위치하는 코일들의 복수의 쌍이 하나의 유지 전류에 의해 제어될 수 있으며, 바람직하게 코일 쌍 유지 전류는 개별적으로 정의된다. 유지 상태에서, 하나의 코일 그룹, 2개의 코일 그룹 또는 복수의 코일 그룹은 하나의 유지 전류에 의해 제어될 수 있으며, 바람직하게 코일 그룹 유지 전류는 그룹별로 개별적으로 정의된다. 제1 쌍의 코일들 또는 제1 코일 그룹은 제1 유지 전류에 의해 제어될 수 있고, 제2 쌍의 코일들 또는 제2 코일 그룹은 제2 유지 전류를 공급받을 수 있다. 이런 방식으로, 스테이터는 전기 모터의 로터에 상대적인 기결정 위치를 강제적으로 취할 수 있다. 바람직하게 유지 상태에서 스테이터는, 전기 모터의 로터에 상대적으로, 서로 대향하는 방식으로 작용하는 자석들(전자석들 및/또는 영구 자석들)의 각도 위치에 상응하는 각도 위치를 취할 수 있다. 또한, 각각 상호 간에 대향하여 위치하는 전자석들의 바람직하게는 인접한 복수의 쌍, 또는 복수의 인접한 코일 그룹의 제어를 통해, 전기 모터에 대해, 서로 인접한 전자석 쌍들 또는 그룹들의 각도 위치들 사이에 위치하는 상기 위치들 역시도 설정될 수 있다. 바람직하게는, 로터에 상대적인 스테이터의 실제 각도 위치를 모터 제어부로 전달하는 각도 위치 센서 시스템이 제공되며, 그럼으로써 모터 제어 전자 시스템은 각도 위치에 상응하게 하나의 코일 쌍을 위한 유지 전류, 또는 복수의 코일 쌍을 위한 유지 전류들을 생성할 수 있게 된다. 전기 모터의 제동 상태에서, 전기 모터는, 바람직하게는 로터에 상대적인 스테이터의 회전 위치 및/또는 회전 이동에 상응하게, 바람직하게는 하나 또는 복수의 코일 쌍의 제어를 이용하여, 예컨대 강제 수단을 통해 야기될 수 있는 회전 이동에 대항하여 제동 작용하도록 구성될 수 있다. 하나 또는 모든 코일 쌍은 제동 상태를 위해 단락될 수 있다. 제어되는 제동 작용 또는 정해진 완충 작용을 달성하기 위해, 하나의 코일 쌍, 2개의 코일 쌍, 복수의 코일 쌍 또는 모든 코일 쌍은 모터 제어 전자 시스템에 의해 주기적으로(펄스 유형으로) 단락될 수 있다. 제동 상태를 위해, 모터 제어 전자 시스템은, 코일 쌍 또는 코일 쌍들을 그에 상응하게 제어하기 위해, 로터에 상대적인 스테이터의 실제 각도 위치를 검출하는 각도 위치 센서 시스템을 이용할 수 있다.
프리휠 상태에서, 바람직하게 전기 모터의 코일들은 무전류 상태로 스위칭될 수 있다. 바람직하게 프리휠 상태에서 전기 모터의 저항 토크는 거의 0Nm이며, 특히 강제 작동 수단에 의해 특히 토크 전달 연결부를 통해 모터에 공급되는 토크보다 더 작다. 토크 전달 연결부의 기어장치에 의해 분명한 감속이 이루어질 때조차도, 전기 모터의 프리휠 상태에 의해, 토크 전달 연결부가, 감속 기어를 고려할 때 강제 수단, 특히 리턴 스프링의 복귀 작용에 저항하기 위해 충분할 수도 있는 충분히 큰 토크를 모터의 측에서부터 공급받지 않는 점이 보장된다. 프리휠 상태에서, 모터 제어부의 모터 제어 전자 시스템은, 경우에 따라, 전기 모터로 하여금 기어장치와 함께 강제 수단과 관련한 억제 작용을 수행하게 할 수도 있는 토크 임계값을 하회하는 구동 토크를 야기하는 낮은 전압 또는 낮은 전류를 공급할 수 있다. 바람직하게 모터 제어 전자 시스템 및/또는 작동 유닛 제어 전자 시스템은, 유지 모드 상태 및/또는 제동 모드 상태에서, 브레이크로서 작용하는 전기 모터 자체를 제외하고, 기계식 또는 전자기식 브레이크를 이용하지 않는다.
모터 제어 전자 시스템은 신호 전송에 따라서 전기 모터의 코일들 내지 전자석들과 연결된다. 모터 제어 전자 시스템은 전기 모터의 로터에 상대적인 전기 모터의 스테이터의 상대 각도 위치를 검출하는 각도 위치 센서 시스템을 포함할 수 있다. 모터 제어 전자 시스템은 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서 등을 포함할 수 있다. 전기 모터의 제어 전자 시스템은, 특히 바람직하게는 센서 제어식 블록 정류부를 포함한 주파수 컨버터를 포함할 수 있다. 제어 전자 시스템의 주파수 컨버터는 마이크로컨트롤러가 없는 단순한 블록 정류부를 포함할 수 있다. 제어 전자 시스템은 정류식 제어를 위한 마이크로컨트롤러를 포함할 수 있다. 제어 전자 시스템은 적어도 하나의 코일을 제어하기 위한 MOSFET들, 트랜지스터들, 릴레이들 등을 포함할 수 있다. 제어 전자 시스템은 신호 전송에 따라서 스테이터에 상대적인 로터의 각도 위치의 검출을 위한 센서 시스템과 연결될 수 있다. 또한, 제어 전자 시스템에는, 각도 위치 센서 시스템, 특히 일반적인 센서 시스템의 신호 전송 연결부가 없는 점 역시도 생각해볼 수 있다. 전기 모터는 센서로 제어되거나, 또는 센서가 없을 수 있다. 센서 제어식 전기 모터는 스테이터에 상대적인 로터의 각도 위치를 검출하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함하며, 제어 전자 시스템은 스테이터에 상대적인 로터의 검출된 각도 위치에 따라서 3상 권선의 전자석들을 제어하도록 형성된다. 또한, 전기 모터가 영구 자석들을 구비한 스테이터와 전자석들을 구비한 로터를 포함하는 점 역시도 생각해볼 수 있다. 바람직하게 전기 모터는, 전기 모터에 전류가 공급되지 않은 상태에서 유지 토크가 0Nm이거나, 또는 실질적으로 0Nm이며, 바람직하게는 강제 작동 수단에 의해 특히 토크 전달 연결부를 통해 모터에 공급되는 토크보다 더 작은 방식으로 형성된다. 바람직하게 전기 모터는, 제어 전자 시스템을 통해, 정확히 하나의 코일, 정확히 2개의 코일, 정확히 3개의 코일, 또는 그 이상의 코일은 하나의 유지 전류에 의해 특히 동시에 제어될 수 있는 방식으로 구성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 개선예에 따라서, 모터 제어 전자 시스템은, 전기 모터의 실제 각도 위치를 검출하기 위한, 자기감응형 센서와 같은 각도 위치 센서 시스템을 포함하며, 그리고 모터 제어 전자 시스템은, 전기 모터의 실제 각도 위치를 고려하면서 전기 모터를 작동시키도록 구성된다. 이런 방식으로, 예컨대 전기 모터의 정해진 유지 위치; 정해진 구동 또는 제동 토크; 정해진 구동 이동 또는 제동 이동 속도 또는 가속도;가 달성될 수 있다. 특히 각도 위치 센서 시스템은, 모터 제어 전자 시스템 및 경우에 따른 하위 또는 상위 작동 유닛 제어 전자 시스템에 의해, 작동 유닛의 액추에이터, 특히 밸브 부재의 정확한 포지셔닝을 위해 이용될 수 있다. 이런 방식으로, 특히 모터의 구동 샤프트 상에서의 큰 변위가 액추에이터의 작은 작동 변위로 변환되게 하는 감속 기어장치를 이용할 때, 정밀 센서 시스템이 액추에이터의 정확한 위치 조절을 위해 이용될 수 있다.
모터 제어 전자 시스템이 전기 모터의 작동을 위해 전기 모터의 실제 각도 위치, 바람직하게는 로터에 상대적인 스테이터의 각도 위치를 고려함으로써, 모터 제어 전자 시스템은, 각자의 임의의 상대 각도 위치에서 예컨대 유지력을 공급하기 위한 최대한 큰 토크를 공급할 수 있도록 하기 위해, 실제 각도 위치에 부합하는 코일(들)에 전류를 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 작동 구동부의 바람직한 실시예에 따라서, 전기 모터는, 액추에이터가 강제 작동 수단을 통해 토크 전달 연결부가 단속되지 않은 조건에서 안전 위치로 이동될 수 있되, 특히 전기 모터는 프리휠 상태에서 전류를 공급받지 않거나, 또는 한계값 미만의 낮은 전압을 공급받을 정도로, 전기 모터의 토크가 낮은, 프리휠 상태 또는 제동 상태와 같은 적어도 하나의 작동 상태를 포함한다. 상기 한계값은 유지 한계값으로서 지칭될 수 있다. 유지 한계값은, 전기 모터로 공급되는 전압이, 로터에 대한 스테이터의 최적의 상대 각도 위치에서, 기어장치와 함께, 강제 작동 수단의 토크에 대항하여 강제 작동 수단이 액추에이터의 안전 위치로 액추에이터의 이동을 야기할 수 없을 정도로 높은 저항 토크를 야기하는 충분한 저항 토크를 공급하기 위해, 충분히 높은 토크를 공급할 때 달성된다. 하한의 유지 한계값은, 상대 각도 위치가 최대 효율을 달성하기 위해 최적인 경우에 결정된다. 또한, 상한의 유지 한계값은, 모터에 상대적인 스테이터의 다른 상대 각도 위치, 바람직하게는 임의의 상대 각도 위치에서, 특히 가장 바람직하지 못하거나 가장 낮은 효율을 갖는 상대 위치에서, 그럼에도 기어장치와 함께 셀프 록킹 작용을 전개하는 방식으로 정의될 수 있다. 전류가 하한의 유지 한계값 미만인 경우, 항상, 작동 유닛의 안전 위치에서 작동 유닛의 프리휠이 수행될 수 있는 점이 보장된다.
본 발명에 따른 작동 구동부의 바람직한 실시예에 따라서, 작동 유닛은, 전기 모터가 특히 낮은 전압을 공급받고 액추에이터는 강제 작동 수단에 대항하여 일정한 위치에서 유지되는 유지 상태를 포함한다. 작동 구동부, 특히 강제 작동 수단은, 히스테리시스와 같은 소정의 유지-공차 범위 아내에서, 전기 모터로부터 토크를 인가받을 수 있으며, 이때 액추에이터 이동은 수행되지 않는다. 유지 모드 상태에서, 전기 모터는, 강제 작동 수단의 힘을 통해 액추에이터의 안전 위치로 액추에이터의 이동을 방지하기 위해 충분히 높은 토크가 공급되는 방식으로, 모터 제어 전자 시스템에 의해 제어된다. 유지 상태에서, 모터 제어 전자 시스템은, 강제 작동 수단의 작용에 대항하여 안전 위치로부터 이격되는 작동 위치의 방향으로 액추에이터를 이동시키지 않는 토크를 야기하는 제어 전류로 전기 모터를 제어한다. 유지 모드 상태에서, 모터 제어 전자 시스템 내지 작동 유닛 제어 전자 시스템은 바람직하게는, 브레이크로서 작용하는 전기 모터 자체를 제외하고, 기계식 또는 전자기식 브레이크를 사용하지 않는다. 각도 위치 센서 시스템에 의해서는, 로터에 상대적인 스테이터의 상대 실제 각도 위치가 검출될 수 있으며, 그럼으로써 모터 제어 전자 시스템은, 전자기 유지력을 야기하고 이렇게 전기 모터의 정해진 반경 방향으로 로터에 상대적으로 스테이터를 유지하기 위해, 특히 직경 방향으로 대향하여 위치하는 코일들의 한 쌍만이 전류를 공급받도록, 또는 상호 간에 각각 특히 직경 방향으로 대향하여 위치하는 코일들의 2개의 바람직하게는 인접한 쌍이 전류를 공급받도록, 전기 모터를 제어할 수 있게 된다.
본원의 작동 구동부의 바람직한 개선예에 따라서, 모터 제어 전자 시스템은, 유지 상태를 야기하기 위해 전기 모터의 적어도 하나의 코일, 및/또는 바람직하게 대향하여 위치하는 코일들의 적어도 하나의 쌍, 및/또는 적어도 하나의 코일 그룹을, 특히 일정하고, 그리고/또는 지속적인 유지 제어 전류로 작동시키도록 구성된다. 특히 모터 제어 전자 시스템은 정확히 하나의 코일, 또는 정확히 하나의 코일 쌍, 또는 정확히 하나의 코일 그룹을 작동시킨다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 전기 모터는, 제동 상태에서, 강제 제어 수단을 통해 액추에이터를 안전 위치로 이동시키는 속도를 감소시키는 토크를 인가한다.
본 발명의 바람직한 개선예에 따라서, 모터 제어 전자 시스템은, 제동 상태를 야기하기 위해, 전기 모터의 적어도 하나의 코일을 일시적으로, 특히 단시간에, 그리고/또는 주기적으로 단락시킨다.
본 발명의 바람직한 개선예에 따라서, 전기 모터는, 제동 상태에서, 발전기로서 작용하고 특히 축전지 또는 커패시터와 같은 저장 장치로 에너지를 출력하도록 구성된다.
본 발명에 따른 작동 구동부의 바람직한 실시예에 따라서, 작동 구동부는, 유지 브레이크가 없는 방식으로, 그리고/또는 원심력 브레이크가 없는 방식으로, 특히 각자의 브레이크가 없는 방식으로 형성된다.
본 발명에 따른 작동 구동부의 바람직한 실시예에 따라서, (첫 번째로) 전기 모터, (두 번째로) 토크 전달 연결부 및 (세 번째로) 강제 작동 수단은 상호 간에 동축으로 배치된다. 특히 토크 전달 연결부의 동축 배치는 토크 전달 연결부의 모터 샤프트뿐만 아니라 바람직하게는 다단 유성기어장치로서 형성되는 그의 기어장치에도, 그리고 그의 출력 샤프트에도 관계된다. 또한, 액추에이터를 선형으로 작동시키기 위해, 편심 부재가 토크 전달 연결부 상에, 특히 출력 샤프트 상에 동축으로 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 장점들, 특징들 및 특성들은 첨부한 도면들에 따른 본 발명의 바람직한 실시예들의 하기의 구체적인 내용 설명을 통해 분명해진다.
본 발명에 따르면, 필요한 장착 공간이 감소되며, 바람직하게는 그와 동시에 구입 비용 및 운영 비용이 유지되거나 감소되는 것인 안전 작동 기능을 포함한 작동 유닛을 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따르는 본 발명에 따른 작동 구동부의 단면도이다.
도 2a는 구동 상태에서 전기 모터의 제어를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2b는 유지 상태에서 전기 모터의 제어를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2c는 제동 상태에서 전기 모터의 제어를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 제2 실시예에 따르는 본 발명에 따른 작동 구동부의 단면도이다.
도 1에 도시된 본 발명에 따른 작동 유닛에는 전반적으로 도면부호 1이 부여되어 있다. 도 3에 따르는 본 발명에 따른 작동 유닛은 전반적으로 도면부호 101을 갖는다. 작동 유닛(1 또는 101)은 주 구성요소로서 이른바 BLDC 모터로서도 지칭될 수 있는 브러시리스 직류 모터(3)의 형태인 전기 모터와; 토크 전달 연결부(5)와; 여기서는 기계식 회전 스프링 어큐뮬레이터(7)로서 형성되는 강제 작동 수단을; 포함한다. 토크 전달 연결부(5)는, 직류 모터(3)에서부터, 별도로 도시되지 않은 밸브 부재로, 또는 예컨대 도 1에 도시된 출력 피스톤(11), 또는 도 3에 도시된 출력 피스톤(111)에 의해 작동될 수 있는 다른 액추에이터로 구동 토크를 전달한다. 작동 유닛들(1 및 101)의 동일하거나 유사한 컴포넌트들을 위해서는, 100만큼 증가된 동일하거나 유사한 도면부호들이 선택되어 있다.
전기 작동 유닛(1)은 축(A)을 포함하며, 이 축을 중심으로 전기 모터(3) 및 토크 전달 연결부(5)의 회전 가능한 컴포넌트들이 동축으로 회전된다. 회전 스프링 어큐뮬레이터(7)로서 실현되는 강제 작동 장치는 마찬가지로 축(A)에 대해 동축으로 배치된다.
전기 모터(3)에서부터, 여기서는 예시적으로 도시된 피스톤(11)의 형태인 선형 출력부까지의 운동학적 연결부는 모터에서 출발하는 출력 샤프트(53)를 통해 실현되며, 이 출력 샤프트는 기어장치(55), 여기서는 3단 유성기어장치를 구동하며, 기어장치(55)는, 작동 구동부 축(A)에 대해 동축으로 회전하고 편심 축(E)을 보유하는 편심 부재(15)의 형태인 회전-병진 기어장치를 포함하며, 편심 축에는 출력 피스톤(1)을 병진 작동시키기 위한 레버(13)가 연결된다.
토크 전달 연결부(5)는 분리 가능한 클러치를 포함하지 않는다. 토크 전달 연결부(5)는 항상 출력부(왕복 피스톤(11))와 구동부(전기 모터(3)) 간의 운동학적 연결부를 제공한다. 작동에 따라서, 토크 전달 연결부(5)는 단속될 수 없다.
여기서 예시적으로 도시된 바람직한 실시예의 경우, 토크 전달 연결부(5)에는 브레이크가 없다. 토크 전달 연결부(5)는 특히 원심력 브레이크를 포함하지 않는다. 바람직하게 토크 전달 연결부(5)는 유지 브레이크를 포함하지 않는다.
출력 피스톤(11)의 실제 위치는, 작동 유닛(1)의 경우, 한편으로 전기 모터(3)를 통해, 그리고 다른 한편으로는 회전 스프링 어큐뮬레이터(7)를 통해 공급되는 힘들 내지 토크들의 비율에 따라서 결정된다. 왕복 피스톤(11)에 의해서는 예컨대 (별도로 도시되지 않은) 작동 밸브가 작동될 수 있으며, 이 작동 밸브는 비상 상태에서 완전 개방되어야 한다(또는 그 대안으로: 완전 폐쇄되어야 한다). 이런 경우에, 스프링 어큐뮬레이터(7)의 복귀력은, 왕복 피스톤(11)이 예컨대 최상위 위치로 이동될 때까지, 예컨대 시계 바늘과 반대 방향으로(또는 시계 바늘과 같은 방향으로) 편심 부재(15)를 회전시키도록 구성될 수 있다. 왕복 피스톤(11)과 강제 끼워 맞춤 및/또는 형상 결합 방식으로 연결된 밸브는 그에 상응하게 예컨대 완전 개방된(또는 완전 폐쇄된) 최상위 위치로 이동될 수 있다.
전기 모터(3)는, 구동 샤프트(53)를 통해 모터(3)에서부터 토크 전달 연결부(5) 내로 유도되어 출력 샤프트(57)를 경유하여 편심 부재(13)에 의해 선형 작동력으로서 출력 피스톤(11)으로 전달되는 구동 토크를 공급할 수 있다. 밸브 부재의 설정 위치는, 예컨대 모터 토크와 스프링(7)의 복귀 토크 간의 평형 상태가 실현되는 것을 통해, 또는 전기 모터(3)가 정해진 유지 위치에 도달하기 위해 제어됨으로써 설정될 수 있으며, 전기 모터의 유지력은 특히 3단 유성기어장치(55)의 감속 작용이 고려되면서 리턴 스프링(7)을 통한 이동에 대항하는 토크 전달 연결부(5)의 억제를 달성한다.
설정 위치, 예컨대 완전 폐쇄된 위치, 또는 완전 폐쇄된 위치와 완전 개방된 위치 사이 내지 최상위 출력 피스톤 위치와 최하위 출력 피스톤 위치 사이의 임의의 설정 가능한 위치에 도달하기 위한 작동 이동을 위해, 제어 전자 시스템(21)이 제공될 수 있으며, 이 제어 전자 시스템은, 구동 샤프트(3)의 이동 및 그 결과 간접적으로 출력 피스톤(11)의 작동을 위한 레버(13)의 이동 역시도 야기하기 위해, 전기 모터(3)를 제어한다.
도 1에 도시된 바람직한 실시예에서 도시된 기어장치(55)는 3단 유성기어장치이다. 모터 샤프트(53)는 제1 기어단(61) 상에서 선기어(63)와 회전 고정 방식으로 연결된다. 제1 기어단(61)은 작동 유닛 하우징(23) 상에 위치 고정되게 파지된 링기어(67), 및 3개 또는 5개의 유성기어(65)를 포함하며, 이들 유성기어는 출력 측 유성 캐리어를 통해 상호 간에 연결된다.
제1 기어단(61)의 유성기어들(65)의 유성 캐리어는 제2 기어단(71)의 선기어(73)를 형성한다. 제2 기어단(71)은 작동 유닛(1)의 하우징(25) 상에 위치 고정된 링기어(77), 및 3개 또는 5개의 유성기어를 포함하며, 이들 유성기어는, 제3 유성 기어단(81)의 선기어(83)를 형성하는 유성 캐리어를 통해 상호 간에 연결된다.
작동 유닛(1)의 하우징은 여기에 도시된 것처럼 예컨대 회전 고정 방식으로 상호 간에 플랜지 결합되어 있는 2개의 반쉘부(23, 25)(half shell)를 포함한다. 하우징 쉘부들은, 자신들이 지지하는 주 컴포넌트들에 상응하게, 모터 하우징 쉘부들(23) 및 편심 부재 하우징 쉘부들(25)로서도 지칭될 수 있다.
전기 모터(3)는 모터 하우징 쉘부(23) 내에 위치 고정되게 장착된다. 전기 모터(3)의 로터가 그 상에 회전 고정 방식으로 고정되어 있는 구동 샤프트 또는 모터 샤프트(53)는 축 방향(A)으로 모터(3)의 하우징을 통과하여 연장되며, 그리고 양측에서 모터 하우징에 직접 인접하는 방식으로, 하우징(23) 상에 직간접적으로 지지되는 각각 하나의 볼 베어링 어셈블리(52)에 의해 파지된다. 볼 베어링(52)과 같은 구름 베어링 어셈블리의 간접적인 파지를 위해, 하우징(23) 상에는, 회전 고정 방식으로, 축 방향(A)에 대해 횡방향으로 하우징(23) 상의 외면에 파지되어 있으면서 축 근처 영역에 볼 베어링(52)을 위한 수용부를 포함하는 파지 디스크(53)(holding disk) 또는 파지 웨브(holding web)가 배치될 수 있다. 상기 수용부 상에는 전기 모터(3)의 하우징 역시도 지지될 수 있다.
제3 기어단(81)은 하우징(25) 상에 위치 고정된 링기어를 포함하며, 이 링기어 내에서는, 편심 부재(15)와 연결되어 이 편심 부재를 종동시키는 유성 기어들(85)이 롤링한다. 편심 부재(15)는, 하우징(25) 상에서 지지되면서 제2 및 제3 기어단(71, 81)의 선기어들(73, 83) 역시도 지지하는 동축 지지 축(16)을 통해 지지된다. 편심 부재(15)는, 하한의 극단 위치(lower extreme position)에서부터 상한의 극단 위치(upper extreme position)로 왕복 피스톤(11)을 이동시키기 위해, 베어링 축(16)을 중심으로 바람직하게는 180° 미만, 특히 135° 미만의 회전을 수행할 수 있다. 이를 능가하는 회전은, 선택적인 실시예의 경우, 정지 각도에 도달할 때 단부 정지부에서 레버(13)와 맞물리는 베어링 축 몸체(16)를 통해 방지될 수 있다.
전기 모터(3)는 360° 이상에 걸쳐서 회전될 수 있다. 모터(3) 내지 모터 샤프트(53)의 회전 구동 이동은 기어장치(55)를 통해 보조되면서 편심 부재(15)로 전달되며, 그럼으로써 모터(3)는, 출력 피스톤(11)의 정해진 작동 변위 및 편심 부재(15)의 상응하는 회전을 위해, 훨씬 더 큰 구동 이동을 완료하게 된다. 그렇게 하여, 낮은 토크를 갖는 고속 회전 모터는 큰 출력 힘을 위해 이용될 수 있으며, 이는 작동 유닛(1)의 구성을 더욱 바람직하게 한다. 이와 동시에, 다단 유성기어장치의 이용을 통해 작은 장착 공간만이 요구된다.
기어장치(55)는, 셀프 록킹되지 않는 방식으로, 쉽게 이동 가능하게 형성된다. 다시 말해, 스프링(7)의 복귀력은 기어장치(55)를 통해 모터 샤프트(53) 쪽으로 전달된다. 정전이 있거나, 또는 모터(3)의 회로가 무전류 상태일 경우, 전기 모터(3)는 프리휠링 방식으로 작동하며, 바람직하게는 잔여 토크가 소멸된 정도로 적은 상태로, 바람직하게는 0Nm이거나 대략 ONm인 상태로 작동한다.
스프링(7)의 복귀력은 모터를 상쇄시키며, 그리고 복귀 토크는 기어장치(55)를 통해 모터 샤프트(53) 내로 유도되며, 모터 샤프트는 잔여 토크가 적거나 존재하지 않는 경우 스프링 작용(7)에 상응하게 회전한다. 모터(3)가 무전류 상태로 스위칭된다면, 모터는 바람직하게는 프리휠 모드 상태에 위치되며, 이런 상태에서 모터(3)의 토크는 모터 샤프트(53)에 전혀 작용하지 않거나, 또는 거의 전혀 작용하지 않는다. 모터(3)의 프리휠 모드 상태에서, 스프링(7)은 기어장치(55)를 통해 모터 샤프트(53)를 회전시킬 수 있다. 다시 말해, 직렬로 연결된 모터(3)와 기어장치(55)는 모터(3)의 프리휠 모드 상태에서 셀프 록킹되지 않는다. 이런 경우, 스프링(7)은 출력 피스톤(11)을 그의 비상 위치로, 예컨대 그의 최상위 또는 완전 개방된 위치로 이동시킬 수 있다.
모터(3)는, 스프링(7)의 작용을 통한 모터 축(53)의 회전 시, 부딪치는 밸브 (폐쇄) 이동을 방지하기 위해, 비상 (폐쇄) 작동을 제동하는 브레이크로서 작용하도록 형성될 수 있다. 모터(3)가 스프링(7)을 통해 야기되는 모터 샤프트(53)의 복귀 이동에 제동하는 방식으로 작용한다면, 로터에서부터 스테이터로 유도된 모터(3)의 전류는 예컨대 위치 제어 전자 시스템(21)에 의해 픽업되어 별도로 도시되지 않은 축전지 내에 저장될 수 있다.
도 2a, 2b 및 2c에는, 상류에 연결된 제어 전자 시스템의 일부분을 포함한 전기 모터가 개략적으로 발췌되어 도시되어 있고 제어 신호들의 개략도도 도시되어 있다. 도 2a에는, 구동 상태를 위한 영구 자석 로터의 회전 작동을 위해 전기 모터의 3개의 개별 스테이터 코일을 회전 작동시키고 그에 전류 공급하는 점이 도시되어 있다. 도 2b에는, 단일의 코일로 정적으로 전류 공급하는 점이 도시되어 있으며, 그렇게 하여 상기 코일은 영구 자석 로터를 끌어당겨 정렬하기 위한 전자기장을 생성하며, 그럼으로써 전기 모터는 유지 상태를 취하게 된다. 도 2c의 경우에는, 전기 모터의 3개의 코일의 전류 회로가 단락되어 있으며(그리고 제어 전류를 수신받지 않으며), 그럼으로써 전기 모터는 자동 제동하게 되며, 다시 말하면 제동 상태를 취하게 된다.
도 3에 도시된 전기 작동 유닛(101)은 모터 축(M)을 포함하며, 이 모터 축을 중심으로 전기 모터(103)의 회전 가능한 컴포넌트들이 회전되며, 그리고 작동 유닛은 모터 축(M)에 대해 비스듬한(바람직하게는 모터 축(M)에 대해 횡방향으로 오프셋되어 모터 축(M)과 관련하여 수직으로 배향된) 작동 축(B)을 포함한다. 작동 축(B)을 중심으로 구동 스핀들(116)이 회전된다. 출력 피스톤(111)은 작동 축(B)에 대해 동축으로 병진 이동된다. 압축 스프링 어큐뮬레이터(107)로서 실현되는 강제 작동 장치는 작동 축(B)에 대해 동축으로 배치된다.
전기 모터(103)에서부터, 예시로서 도시된 출력 피스톤(111)의 형태인 병진 출력부까지의 운동학적 연결부는 모터(103)에서부터 출발하는 출력 샤프트(153)를 통해 실현되며, 출력 샤프트는, 2개 부재형 유성기어(155)를 포함하는 기어장치를 구동한다. 토크 전달 연결부(105)는, 모터 측에서, 모터 샤프트(153) 상에, 모터 축(M)을 중심으로 하는 회전 이동을 작동 축(B)을 중심으로 하는 회전으로 변환하기 위한 구동 스핀들(115)을 포함한다. 요컨대 토크 전달 연결부는, 작동 축(B)을 중심으로 하는 회전 이동을 작동 축(B)의 배향에 따른 병진 이동으로 변환하는 스핀들 기어(116)의 형태인 회전-병진 기어장치를 포함한다.
토크 전달 연결부(105)에는, 작동에 따른 분리 가능한 클러치가 없다. 토크 전달 연결부는 항상 출력부(왕복 피스톤(111))와 구동부(전기 모터(103)) 간의 운동학적 연결부를 제공한다. 작동에 따라서, 비록 예컨대 유지보수 목적을 위해, 또는 작동 유닛(101) 및 이 작동 유닛 내에 제공되는 토크 전달 연결부(105)의 조립 동안에도 예컨대 왕복 피스톤(111)의 상부 부재(111a)와 하부 부재(111b) 간의 핀(pin)이 제거되고 이렇게 두 왕복 피스톤 부재(111a, 111b)가 상호 간에 분리될 수 있다고 하더라도, 토크 전달 연결부(105)는 단속될 수 없다.
도 3에 도시된 바람직한 실시예는, 브레이크가 없는 토크 전달 연결부(105)를 포함한다. 특히 토크 전달 연결부(105)는 원심력 브레이크를 포함하지 않는다. 바람직하게는, 토크 전달 연결부(105)에는, 유지 브레이크 역시도 제공되지 않는다.
도 3에 도시된 제2 실시예에 따른 바람직한 작동 유닛(101)은, 실질적으로 단지 병진-회전 기어장치의 유형을 통해서뿐만 아니라 토크 전달 연결부(105)의 축(B)에 대해 비스듬한 모터 축(M)의 배치를 통해서만, 도 1에 도시된 작동 유닛(1)의 실시예와 구분된다. 이런 점에 한해, 상기 구조적인 특징을 제외하고, 도 1에 따른 제1 바람직한 실시예의 앞서 기술한 상세내용은 그에 상응하게 도 3에 도시된 제2 바람직한 실시예에 전용될 뿐만 아니라, 그 반대의 경우도 가능하다. 특히 작동 유닛(101)에 대해, 출력 피스톤(111)의 위치가 한편으로 브러시리스 직류 모터로서 실현될 수 있는 전기 모터(103)를 통해, 그리고 다른 한편으로는 압축 스프링 어큐뮬레이터(7)를 통해 공급되는 힘들 내지 토크들의 비율에 따라서 결정된다. 왕복 피스톤(111)에 의해, 예컨대 비상 상태에서 완전 개방되어야 하는(또는 그 대안으로 완전 폐쇄되어야 하는) (별도로 미도시된) 작동 유닛이 작동될 수 있다. 스프링 어큐뮬레이터(107)의 복귀력은, 왕복 피스톤(111)이 도 3에 도시된 위치를 취할 때까지, 압축 스프링(107) 내지 리턴 스프링에서부터 출력 피스톤(111)의 하부 부분으로 힘 전달 연결부를 제공하는 리턴 디스크(108)를, 병진 작동 방향(b)에서, 제1 방향으로서도 지칭될 수 있거나, 또는 도 3에 따라서 상방으로 배향될 수 있는 복귀 방향으로 이동시키도록 구성될 수 있다. 왕복 피스톤(111)과 강제 끼워 맞춤 및/또는 형상 결합 방식으로 연결된 밸브는 그에 상응하게 최상위의 완전 개방된(또는 완전 폐쇄된) 위치로 이동될 수 있다.
토크 전달 장치(105)의 스핀들 기어(116)는 셀프 록킹 방식으로 구성되지 않으며, 그럼으로써 제1 작동 방향(b)으로(상방으로) 피스톤(111)의 복귀 작동은 작동 축(B) 상에 위치하는 스핀들 구동부(116)를 통해 다시 유성기어장치(155)로, 그리고 유성기어장치(155)에서부터 스핀들 기어(115)를 경유하여 다시 모터 샤프트(153) 상으로, 그리고 모터(103)로 전달되게 된다. 도 1에 도시된 실시예와 관련하여 기술한 전기 모터(3)의 경우처럼, 전기 모터(103)의 상태(유지 상태, 프리휠 상태, 작동 상태 또는 제동 상태)는 왕복 피스톤(111)의 이동 거동을 결정한다.
스프링(107)의 복귀력은 모터(103)를 상쇄시킨다. 모터(103)가 무전류 상태로 스위칭되면, 모터는 바람직하게는 프리휠 모드 상태에 위치되며, 이런 상태에서는 모터(103)의 토크는 모터 샤프트(153)에 전혀 작용하지 않거나, 또는 거의 전혀 작용하지 않는다. 모터(103)의 이런 프리휠 모드 상태에서, 스프링(107)은 스핀들 기어(115, 116) 및 유성기어장치(155)를 통해 모터 샤프트(153)를 회전시킬 수 있다.
모터(103)는, 모터 축(153)의 회전 동안 스프링(107)의 작용을 통해, 예컨대 부딪치는 밸브 폐쇄 이동을 방지하기 위해, 비상 (폐쇄) 작동을 제동하는 브레이크 및/또는 발전기로서 작용하도록 형성될 수 있다.
설정 위치, 예컨대 완전 폐쇄된 위치, 또는 완전 폐쇄된 위치와 완전 개방된 위치 사이의 임의의 설정 가능한 위치에 도달하기 위해 특히 제2 작동 방향(b)(도 3에 따라서는 하방)으로 피스톤(111)을 이동시키기 위한 작동 명령어를 위해, 제어 전자 시스템(21)이 제공될 수 있으며, 이 제어 전자 시스템은, 출력 피스톤(111)을 작동시키기 위한 출력 샤프트(153)의 이동을 야기하기 위해, 전기 모터(103)를 제어한다.
또한, 전기 모터(103)가 정해진 유지 위치에 도달하기 위해 제어되는, 모터 토크와 스프링(107)의 복귀력 간의 평형 상태가 실현될 수 있으며, 전기 모터의 유지력은, 특히 유성기어장치(155) 및 스핀들 기어들(115 및 116)의 작용이 고려되면서, 리턴 스프링(107)을 통한 이동에 대항하는 토크 전달(105)의 억제를 달성한다.
모터(103)는 기어장치 하우징(123) 상에 바람직하게는 위치 고정되게 고정되며, 기어장치 하우징은 제어 전자 시스템(21)의 고정을 위한 하우징 섹션을 포함한다. 기어장치 하우징(123)은 스프링 하우징(125)과 회전 고정 방식으로 연결된다. 스프링 하우징(125) 및/또는 기어장치 하우징(123) 상에서는, 토크 전달 장치(105)를, 바람직하게는 출력 측 스핀들 기어(116)의 암나사부를 포함하는 스핀들 슬리브를 지지하는 볼 베어링(152)이 반경 방향으로 지지된다. 압축 스프링 하우징(125) 내에서는, 작동 방향(b)으로 압축 스프링(107)이 한편으로 하우징(125)의 내부 벽부 상에, 그리고 다른 한편으로는 리턴 디스크(108) 상에 지지된다. 리턴 디스크(108)는 스프링 힘을 병진 이동식 피스톤(111) 상으로, 특히 피스톤의 하부 섹션(111b)으로 전달한다.
스핀들 기어(116)의 스핀들 슬리브(117)는 셀프 록킹되지 않는 암나사부를 포함하며, 이 암나사부는 왕복 피스톤(111)의 상부 섹션(111a)과 맞물려 접촉한다. 외면에서 스핀들 슬리브(117)는 다단, 바람직하게는 2단 유성기어장치(155)의 출력 캐리어와 회전 고정 방식으로, 바람직하게는 형상 결합 및/또는 강제 끼워 맞춤 방식으로 연결된다.
제1 유성 기어단은, 외면에, 모터 샤프트(153)와의 셀프 록킹되지 않는 스핀들 기어 연결부(115)를 실현하는 기어휠 측면부(gear wheel flank)를 포함하는 링기어의 회전을 통해 구동된다. 제1 유성 기어단에서부터 토크 전달을 위해, 제1 유성 기어단의 유성기어들의 캐리어는 제2 유성 기어단을 위한 선기어로서 이용된다.
전술한 구체적인 내용, 도면들 및 청구범위에서 개시되는 특징들은 개별적으로뿐만 아니라 임의로 조합되어 다양한 구현예들로 본 발명의 실현을 위해 중요할 수 있다.
1, 101: 작동 유닛
3, 103: 전기 모터
5, 105: 토크 전달 연결부
7, 107: 스프링
11, 111: 왕복 피스톤
13: 레버
15: 편심 부재
16: 베어링 축
21: 제어 전자 시스템
23, 25: 반쉘부
52, 152: 볼 베어링
53, 153: 모터 샤프트
54: 파지 디스크
55, 155: 기어장치
57: 출력 샤프트
61, 71, 81: 기어단
63, 73, 83: 선기어
65, 75, 85: 유성기어
67, 77, 87: 링기어
108: 리턴 디스크
111a: 왕복 피스톤의 상부 부재
111b: 왕복 피스톤의 하부 부재
115: 구동 스핀들
116: 스핀들 기어
117: 스핀들 슬리브
123: 기어장치 하우징
125: 스프링 하우징
A: 축
B: 작동 축
b: 작동 방향
E: 편심 축
M: 모터 축

Claims (11)

  1. 공정 처리 설비의 공정 유체 유동을 설정하는, 밸브 부재와 같은 액추에이터를 작동시키기 위한 안전 작동 기능을 포함한 작동 유닛(1)으로서,
    액추에이터를 작동시키기 위한 토크를 공급하기 위한, 브러시리스 직류 모터(3)와 같은 전기 모터와;
    전기 모터(3)에서부터 액추에이터로 토크를 전달하기 위해 액추에이터와 전기 모터를 연결하기 위한 토크 전달 연결부(5)이며, 모터 샤프트(53), 기어장치(55), 바람직하게는 다단 유성기어장치, 및 출력 샤프트(57)를 포함하고 분리 가능한 클러치는 없는 상기 토크 전달 연결부(5)와;
    안전 위치로 액추에이터를 이동시키기 위한 강제 작용을 토크 전달 연결부(5) 내로 유도하는, 특히 기계식 스프링 어큐뮬레이터(7)와 같은 강제 작동 수단을; 포함하는 상기 안전 작동 기능을 포함한 작동 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기 모터는, 기결정 작동 상태들로서 구동 상태, 유지 상태, 제동 상태 및/또는 프리휠 상태를 포함하며, 그 외에도 상기 전기 모터의 기결정 작동 상태들 중 하나를 야기하기 위한 모터 제어 전자 시스템을 더 포함하는, 작동 구동부.
  3. 제2항에 있어서, 상기 모터 제어 전자 시스템은, 상기 전기 모터의 실제 각도 위치를 검출하기 위한, 자기감응형 센서와 같은 각도 위치 센서 시스템을 포함하며, 그리고 상기 모터 제어 전자 시스템은, 상기 실제 각도 위치를 고려하면서 상기 전기 모터를 작동시키도록 구성되는, 작동 구동부.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 모터는, 상기 액추에이터가 상기 강제 작동 수단을 통해 상기 토크 전달 연결부(5)가 단속되지 않은 조건에서 안전 위치로 이동될 수 있되, 특히 상기 전기 모터는 프리휠 상태에서 낮은 전압을 공급받거나, 또는 공급받지 않을 정도로, 상기 전기 모터의 토크가 낮은, 프리휠 상태 또는 제동 상태와 같은 적어도 하나의 작동 상태를 포함하는, 작동 구동부.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 유닛은, 상기 전기 모터가 특히 적어도 낮은 전압을 공급받고 상기 액추에이터는 상기 강제 작동 수단에 대항하여 일정한 위치에서 유지되는 유지 상태를 포함하는, 작동 구동부.
  6. 제2항 및 제5항에 있어서, 상기 모터 제어 전자 시스템은, 유지 상태를 야기하기 위해 상기 전기 모터의 적어도 하나의 코일, 및/또는 코일들의 적어도 하나의 쌍을, 특히 일정하고, 그리고/또는 지속적인 유지 제어 전류로 작동시키되, 특히 상기 모터 제어 전자 시스템은 정확히 하나의 코일, 또는 정확히 하나의 코일 쌍을 작동시키는, 작동 구동부.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 모터는, 제동 상태에서, 상기 강제 제어 수단을 통해 상기 액추에이터를 안전 위치로 이동시키는 속도를 감소시키는 토크를 인가하는, 작동 구동부.
  8. 제2항 및 제7항에 있어서, 상기 모터 제어 전자 시스템은, 제동 상태를 야기하기 위해, 상기 전기 모터의 적어도 하나의 코일 또는 적어도 2개의 코일을 일시적으로, 특히 단시간에, 그리고/또는 주기적으로 단락시키는, 작동 구동부.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 전기 모터는, 제동 상태에서, 발전기로서 작용하고 특히 축전지 또는 커패시터와 같은 저장 장치로 에너지를 출력하도록 구성되는, 작동 구동부.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 구동부는 원심력 브레이크가 없는 방식으로, 특히 브레이크가 없는 방식으로 형성되는, 작동 구동부.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 모터, 상기 토크 전달 연결부(5), 특히 상기 모터 샤프트(53), 상기 기어장치(55), 바람직하게는 다단 유성기어장치뿐만 아니라 상기 출력 샤프트(57) 역시, 그리고 상기 강제 작동 수단은 상호 간에 동축으로 배치되는, 작동 구동부.
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