PL194100B1 - Elektromechaniczny serwomotor - Google Patents

Abstract

1. Elektromechaniczny serwomotor przeznaczony do dolaczenia do urzadzenia zewnetrznego w celu przemieszczania tego urzadzenia do okreslonego polozenia oraz utrzymywania go w tym polozeniu, zawierajacy obudowe z umieszczonym w niej elemen- tem napedzajacym urzadzenie zewnetrzne do okreslo- nego polozenia, kiedy ten element napedzajacy jest uruchomiony oraz element hamujacy do utrzymywania urzadzenia zewnetrznego w okreslonym polozeniu przy uruchomieniu elementu hamujacego, a takze element przelaczajacy do generowania pierwszego sygnalu przelaczajacego wcelu wlaczenia wymienionego ele- mentu napedzajacego, przemieszczajacego urzadzenie zewnetrzne do okreslonego polozenia oraz drugiego sygnalu przelaczajacego do wylaczania elementu na- pedzajacego i uruchamiania elementu hamujacego, po uplywie okreslonego czasu od chwili uruchomienia elementu napedzajacego, aby utrzymywac urzadzenie zewnetrzne w okreslonym polozeniu, znamienny tym, ze elementem hamujacym (40) jest elektromagnes (46) zawierajacy ruchomy rdzen. PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest elektromechaniczny serwomotor, zwłaszcza z zegarem do przełączania zasilania pomiędzy silnikiem napędzającym a mechanizmem przytrzymywania przy zmniejszonej mocy.

Elektromechaniczne serwomotory są pospolicie stosowane na przykład w instalacjach grzewczych, wentylacyjnych i klimatyzacyjnych do poruszania przepustnic lub zaworów, które służą do sterowania przepływem powietrza, zwłaszcza w sytuacjach awaryjnych, kiedy występuje ogień i dym. Serwomotory takie zwykle mają funkcję powrotu, która ustawia przepustnicę w określonym położeniu wyjściowym, gdy zasilanie serwomotoru jest przerwane, czy to w sposób zamierzony poprzez odcięcie przez operatora, czy też na skutek awarii zasilania. W ten sposób serwomotor automatycznie przemieszcza przepustnicę bez zasilania elektrycznego do położenia bezpiecznego, by pomóc w kierowaniu lub ograniczaniu ognia i/lub dymu do obszarów wyznaczonych przez ustalony plan ochrony przeciwpożarowej.

Funkcja powrotu wielu konwencjonalnych serwomotorów jest zwykle realizowana przez mechanizm sprężynowy. Do przeciwdziałania sile powrotu mechanizmu sprężynowego, tak że przepustnica jest utrzymywana w normalnym położeniu pracy, niektóre znane serwomotory wykorzystują ten sam silnik, który uprzednio przestawił przepustnicę z położenia wyjściowego. Serwomotory te pobierają zatem stale energię w stanie zatrzymania, kiedy przepustnica dochodzi do mechanicznego zderzaka, który określa normalne położenie pracy. Konstrukcja taka jest niekorzystna, ponieważ serwomotory przeznaczone do zastosowań związanych z ogniem i dymem są zwykle trzymane w normalnym położeniu pracy przez w przybliżeniu 99% swego czasu eksploatacji i w rezultacie zużywają dość dużo energii. Zagadnienie poboru energii staje się jeszcze ważniejsze, kiedy wiele serwomotorów tego samego rodzaju stosuje się w systemach grzewczych, wentylacyjnych i klimatyzacyjnych dużej skali, ponieważ sumaryczny pobór energii tych serwomotorów przez cały ich czas eksploatacji może być bardzo duży i kosztowny. Ponadto przekładnia zębata w serwomotorach do napędzania przepustnic jest stale obciążona przez silnik, na skutek czego występuje skłonność do uszkodzeń zębów spowodowanych przez drgania o częstotliwości 60 Hz. Innym i chyba poważniejszym problemem jest silne nagrzewanie się na skutek utrzymywania silnika w położeniu zatrzymanym przez długi czas, co jest potencjalną przyczyną uszkodzeń silnika.

Alternatywnie niektóre serwomotory są wyposażone w oddzielny mechanizm przytrzymujący przepustnicę w jej położeniu normalnego działania. Po doprowadzeniu zasilania mechanizm blokujący sprzęga się i blokuje przepustnicę w jej normalnym położeniu działania. Mechanizm blokujący wymaga mniejszej mocy niż silnik napędzający, a niebezpieczeństwo uszkodzenia zębów jest wyeliminowane lub przynajmniej zmniejszone. Serwomotory tego rodzaju są wyposażone w wyłącznik krańcowy do wykrywania, czy przepustnica osiągnęła swoje normalne położenie pracy, albo czujnik prędkości do wykrywania, czy serwomotor przestał być napędzany. W razie stwierdzenia, że przepustnica osiągnęła swoje normalne położenie pracy, serwomotor przełącza zasilanie silnika napędzającego na mechanizm blokujący. Wyłączniki krańcowe lub czujniki prędkości są jednak drogie i trudno jest je stosować przy podwyższonych temperaturach pracy takich serwomotorów, w przybliżeniu 180°C.

Głównym celem wynalazku jest zatem opracowanie ulepszonego serwomotoru, który jest tani i prosty w realizacji. Innym celem jest opracowanie takiego ulepszonego serwomotoru, który zawiera elektromagnes do blokowania przepustnicy w normalnym położeniu pracy. Jeszcze innym celem jest opracowanie ulepszonego serwomotoru zawierającego sterowanie zegarowe przełączania zasilania pomiędzy silnikiem napędzającym a elektromagnesem.

Zgodnie z wynalazkiem, elektromechaniczny serwomotor przeznaczony do dołączenia do urządzenia zewnętrznego, w celu przemieszczania tego urządzenia do określonego położenia oraz utrzymywania go w tym położeniu, zawiera obudowę z umieszczonym w niej elementem napędzającym urządzenie zewnętrzne do określonego położenia, gdy ten element napędzający jest uruchomiony oraz element hamujący do utrzymywania urządzenia zewnętrznego w określonym położeniu przy uruchomieniu elementu hamującego, a także element przełączający do generowania pierwszego sygnału przełączającego w celu włączenia wymienionego elementu napędzającego, przemieszczającego urządzenie zewnętrzne do określonego położenia oraz do generowania drugiego sygnału przełączającego do wyłączania elementu napędzającego i uruchamiania elementu hamującego, po upływie określonego czasu od chwili uruchomienia elementu napędzającego, aby utrzymywać urządzenie zewnętrzne w określonym położeniu. Rozwiązanie charakteryzuje się tym, że element hamujący stanowi elektromagnes z ruchomym rdzeniem.

PL 194 100 B1

Korzystnym jest, że elementem napędzającym jest silnik elektryczny, przy czym element hamujący zawiera hamującą dźwignię dołączoną do wymienionego rdzenia, by zapewnić funkcjonalne sprzężenie z elementem napędzającym, kiedy uruchomiony jest element hamujący, aby uniemożliwić przemieszczenie urządzenia zewnętrznego z określonego położenia. Również korzystnym jest, gdy elementem napędzającym jest silnik elektryczny posiadający koło zębate przeznaczone do sprzężenia z hamulcową dźwignią przy uruchamianiu elementu hamującego. Element przełączający zawiera zegar do wytwarzania pierwszego i drugiego sygnału przełączającego, obwód sterowania dostarczający sygnał wejściowy potrzebny dla wymienionego zegara w celu wytworzenia pierwszego i drugiego sygnału przełączającego oraz elektroniczny przekaźnik dołączony do zegara w celu jego połączenia do elementu napędzającego, kiedy wymieniony pierwszy sygnał przełączający jest odbierany z zegara, i do elementu hamującego, kiedy odbierany jest wymieniony drugi sygnał przełączający. Ponadto serwomotor zawiera element sprzęgający do łączenia serwomotoru z urządzeniem zewnętrznym oraz element przenoszenia momentu obrotowego włączony funkcjonalnie pomiędzy element napędzający a element sprzęgający. Również korzystnym jest, gdy elementem napędzającym jest silnik elektryczny, zaś elementem przenoszenia momentu obrotowego jest przekładnia zębata przeznaczona do przenoszenia momentu obrotowego wytworzonego przez wymieniony silnik elektryczny na element sprzęgający.

Przedmiot wynalazku jest dokładniej przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia elektromechaniczny serwomotor w widoku perspektywicznym w rozłożeniu na części, fig. 2 serwomotor z fig. 1 w widoku z góry, zaś fig. 3 - szczegółowy schemat zasadniczy obwodu sterowanego zegarem urządzenia przełączającego według wynalazku.

Elektromechaniczny serwomotor według wynalazku służy przykładowo w zastosowaniach związanych z ogniem i dymem do otwierania i zamykania przepustnic i zaworów. Serwomotor ten zawiera urządzenie przełączające do podawania zasilania na silnik elektryczny w celu napędzania przepustnicy do jej położenia roboczego. Kiedy przepustnica dojdzie do swego położenia roboczego, urządzenie przełączające odłącza zasilanie od silnika, a podaje je na elektromagnes, który trzyma przepustnicę w położeniu roboczym. Energia pobierana przez elektromagnes jest znacznie mniejsza niż energia zużywana przez silnik, a zatem pobór mocy serwomotoru zostanie znacznie zmniejszony.

Przedmiotowy wynalazek w szerokim sensie dotyczy elektromechanicznego serwomotoru, który jest przeznaczony do dołączenia do zewnętrznego urządzenia w celu przemieszczania go do określonego położenia i utrzymywania zewnętrznego urządzenia w tym położeniu. Serwomotor zawiera obudowę, która mieści silnik napędzający urządzenie zewnętrzne do określonego położenia, kiedy silnik ten jest zasilany, oraz mechanizm hamulcowy do utrzymywania urządzenia zewnętrznego w określonym położeniu, kiedy uruchomiony jest mechanizm hamulcowy. Urządzenie przełączające wytwarza sygnały przełączające w celu włączania silnika, by napędzał urządzenie zewnętrzne do określonego położenia i w celu wyłączania zasilania silnika i uruchamiania mechanizmu hamulcowego, kiedy minie określony czas od chwili włączenia silnika napędzającego, by trzymać urządzenie zewnętrzne w określonym położeniu.

Według jednego przykładu realizacji przedmiotowego wynalazku urządzenie przełączające jest przeznaczone do stosowania w serwomotorze elektromechanicznym do przełączania zasilania pomiędzy silnikiem napędzającym a mechanizmem przytrzymującym o małym poborze mocy. Urządzenie przełączające zawiera generator sygnału przełączania do wytwarzania sygnałów przełączania zasilania pomiędzy silnikiem napędzającym a mechanizmem trzymania o małym poborze mocy w określonym czasie oraz obwód sterowania przeznaczony do umożliwiania, by generator ten wytwarzał sygnał przełączający. Przewidziano również urządzenie przełączające, które jest dołączone do silnika napędzającego i mechanizmu trzymającego w celu przełączania zasilania z silnika napędzającego na mechanizm trzymania o małym poborze mocy, kiedy zostanie odebrany sygnał przełączający z generatora sygnału przełączającego.

Elektromechaniczny serwomotor 10 pokazany na fig. 1 i 2 zawiera dolną część 12 obudowy (górnej części nie pokazano), która służy do umieszczenia w niej obrotowego wyjściowego elementu sprzęgającego 14 poprzez otwór sprzęgający 16 (najlepiej widoczny na fig. 1) i poprzez pierścień łożyskujący 18. Element sprzęgający 14 jest przeznaczony do sprzęgania z urządzeniem zewnętrznym, takim jak przepustnica lub zawór (nie pokazano) i służy do przestawiania przepustnicy pomiędzy położeniem wyjściowym, odpowiadającym przerwaniu dostarczania energii, a żądanym położeniem roboczym, w którym energia jest doprowadzana do serwomotoru 10.

PL 194 100B1

Wyjściowy element sprzęgający 14 zawiera integralny uzębiony łukowy segment 20 do sprzężenia z przekładnią zębatą 22. W korzystnym przykładzie wykonania przekładnia zębata 22 zawiera cztery zestawy 24, 26, 28, 30 kół zębatych, które są sprzężone ze sobą. Osie zestawów 24, 26, 28, 30 kół zębatych przekładni zębatej 22 tworzą linię zygzakowatą na kierunku wzdłużnym serwomotoru 10. Zestaw 24 kół zębatych przekładni zębatej 22 jest sprzężony z łukowym segmentem 20 zewnętrznego elementu sprzęgającego 14, a zestaw 30 kół zębatych jest sprzężony z napędowym kołem zębatym 32 elementu napędzającego 34 w postaci silnika. Moment obrotowy wytwarzany przez ten silnik jest wten sposób wzmacniany i przenoszony przez przekładnię zębatą 22 na wyjściowy element sprzęgający 14, kiedy silnik pracuje. Należy zauważyć, że chociaż korzystna przekładnia zębata 22 jest utworzona przez połączenie ze sobą czterech zestawów 24, 26, 28, 30 kół zębatych wraz z ich odpowiednimi zębnikami przenoszącymi 35 (nie wszystkie zębniki pokazano), fachowiec zdaje sobie sprawę z tego, że przekładnia zębata 22 może zawierać więcej lub mniej niż cztery zestawy kół zębatych imogą być one rozmieszczone w różnych innych konfiguracjach, które umożliwiają przenoszenie momentu obrotowego pomiędzy elementem napędzającym 34 a wyjściowym elementem sprzęgającym 14.

Podłużny wałek 36, który jest koncentryczny z osią koła zębatego 26, odchodzi do dołu od tego koła zębatego, jak pokazano na fig. 1. Szczelinowa tuleja 38 jest przymocowana do końca tego wałka 36 i jest przeznaczona do dołączenia do końca sprężyny powrotnej (nie pokazano), na przykład sprężyny zegarowej lub sprężyny skrętnej. Kiedy przepustnica jest przemieszczana z położenia wyjściowego przez wyjściowy element sprzęgający 14, sprężyna powrotna jest naprężana skrętnie i wywiera siłę na wyjściowy element sprzęgający 14 poprzez przekładnię zębatą 22, aby powodować powrót przepustnicy do jej położenia wyjściowego.

W celu uniemożliwiania powrotu przepustnicy do swego położenia wyjściowego podczas normalnego działania serwomotoru 10 jest on wyposażony w element hamulcowy 40, który w stanie uruchomionym blokuje przekładnię zębatą 22, aby uniemożliwić jej obracanie się. Element hamulcowy 40 zawiera przesuwny dźwigniowy hamulec 42, który ma dźwignę 44 (najlepiej widoczne na fig. 1) skonstruowaną tak, aby zahaczała o ruchomy translacyjnie rdzeń (nie pokazano) w elektromagnesie 46, tak aby przesuwała się odpowiednio wraz z tym rdzeniem, kiedy elektromagnes 46 jest włączony. Gdy elektromagnes działa, sprężyna 50 (pokazana na fig. 1) popycha rdzeń elektromagnesu i na skutek tego dźwignię 42 hamulca i jej płytkę 48 w kierunku od koła zębatego 30, przez co przekładnia zębata 22 może być obracana albo przez silnik stanowiący element napędzający 34, albo przez sprężynę powrotną.

Zgodnie z jednym aspektem wynalazku serwomotor 10 zawiera ponadto element przełączający 51 do sterowania energii doprowadzanej do elementu napędzającego 34 i do elektromagnesu 46. Ten element przełączający 51 jest wykonany na płytce 52 obwodu drukowanego i jest zabezpieczony przez izolującą płytkę. Element przełączający 51, jak pokazano na fig. 3, zawiera półprzewodnikowy zegar 54, taki jak obwód scalony typu 4541B. Obwód sterowania 56 zegara ma umożliwić zegarowi 54 wytworzenie żądanego sygnału. Ten obwód sterowania 56 zegara zawiera parę rezystorów 58, 60 i kondensator 62, które są wybrane zgodnie z wymaganiami zegara 54, aby umożliwić zegarowi wytworzenie żądanego sygnału, który jest doprowadzany do przekaźnika 64. W korzystnym przykładzie wykonania rezystory 58, 60 mają wartości 348 om i 698 om, a kondensator 62 ma wartość 0,001 mF. Umożliwia to wytwarzanie przez zegar sygnału, który utrzymuje styk 66 w przekaźniku 64 w dołączony do elementu napędzającego 34 korzystnie w przybliżeniu przez 25 s, co daje silnikowi dość czasu na przemieszczenie przepustnicy do normalnego położenia pracy. Przekaźnik 64 jest w korzystnym przykładzie wykonania typu SPDT. Po tym czasie zegar 54 wytwarza sygnał wyjściowy, który powoduje odłączenie styku 66 od silnika stanowiącego zespół napędowy 34 i dołączenie go do elektromagnesu 46, przez co następuje uruchomienie elementu hamującego 40, by zablokować przekładnię zębatą 22 i przez to przepustnicę w jej położeniu pracy. Zegar 54 jest również wyposażony w parę rezystorów 68, 70 do zmniejszania wejściowego napięcia przemiennego do wartości wykorzystywanej przez zegar. Dioda 71, kondensator 72 i dioda Zenera 74 są dołączone za rezystorami 68, 70, by prostować wejściowe napięcie przemienne i regulować je na wartość w przybliżeniu 13 V przed podaniem na zegar 54.

Z powyższego opisu wynika, że przedstawiony i opisany ulepszony serwomotor elektromagnetyczny ma wiele pożądanych właściwości i zalet. Serwomotor ten zawiera zespół hamulcowy, który trzyma przepustnicę w normalnym położeniu pracy używając znacznie mniejszej energii niż silnik napędzający. Inna zaleta polega na tym, że serwomotor ten wykorzystuje sterowane zegarowo urządzePL 194 100 B1 nie przełączające energię z silnika napędzającego na zespół hamulcowy. Takie sterowane zegarowo urządzenie przełączające jest tańsze i łatwiejsze do zrealizowania w warunkach podwyższonej temperatury, w których ma działać serwomotor.

Claims (7)

1. Elektromechaniczny serwomotor przeznaczony do dołączenia do urządzenia zewnętrznego w celu przemieszczania tego urządzenia do określonego położenia oraz utrzymywania go w tym położeniu, zawierający obudowę z umieszczonym w niej elementem napędzającym urządzenie zewnętrzne do określonego położenia, kiedy ten element napędzający jest uruchomiony oraz element hamujący do utrzymywania urządzenia zewnętrznego w określonym położeniu przy uruchomieniu elementu hamującego, a także element przełączający do generowania pierwszego sygnału przełączającego wcelu włączenia wymienionego elementu napędzającego, przemieszczającego urządzenie zewnętrzne do określonego położenia oraz drugiego sygnału przełączającego do wyłączania elementu napędzającego i uruchamiania elementu hamującego, po upływie określonego czasu od chwili uruchomienia elementu napędzającego, aby utrzymywać urządzenie zewnętrzne w określonym położeniu, znamienny tym, że elementem hamującym (40) jest elektromagnes (46) zawierający ruchomy rdzeń.

2. Serwomotor według zastrz. 1, znamienny tym, że elementem napędzającym (34) jest silnik elektryczny.

3. Serwomotor według zastrz. 1, znamienny tym, że element hamujący (40) zawiera hamującą dźwignię (44) dołączoną do wymienionego rdzenia, by funkcjonalnie zapewnić sprzężenie z elementem napędzającym (34), kiedy element hamujący (40) jest uruchomiony, aby uniemożliwić przemieszczenie urządzenia zewnętrznego z określonego położenia.

4. Serwomotor według zastrz. 1, znamienny tym, że elementem napędzającym (34) jest silnik elektryczny posiadający koło zębate (32) przeznaczone do sprzężenia z hamulcową dźwignią (44) przy uruchamianiu elementu hamującego (40).

5. Serwomotor według zastrz. 1, znamienny tym, że element przełączający (51) zawiera zegar (54) do wytwarzania pierwszego i drugiego sygnału przełączającego, obwód sterowania (56) dostarczający sygnał wejściowy potrzebny dla wymienionego zegara w celu wytworzenia pierwszego i drugiego sygnału przełączającego oraz elektroniczny przekaźnik (64) dołączony do zegara (54) w celu jego połączenia do elementu napędzającego (34), kiedy wymieniony pierwszy sygnał przełączający jest odbierany z zegara (54), i do elementu hamującego (40), kiedy odbierany jest wymieniony drugi sygnał przełączający.

6. Serwomotor według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera ponadto element sprzęgający (14) do łączenia serwomotoru (10) z urządzeniem zewnętrznym oraz element przenoszenia momentu obrotowego włączony funkcjonalnie pomiędzy element napędzający (34) a element sprzęgający (14).

7. Serwomotor według zastrz. 1albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, znamienny tym, że elementem napędzającym (34) jest silnik elektryczny, zaś elementem przenoszenia momentu obrotowego jest przekładnia zębata (22) przeznaczona do przenoszenia momentu obrotowego wytworzonego przez wymieniony silnik elektryczny na element sprzęgający (14).