DE102016113117A1

DE102016113117A1 - Elektrischer Stellantrieb und Stellgerät mit einem elektrischen Stellantrieb

Info

Publication number: DE102016113117A1
Application number: DE102016113117.2A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Krause
Original assignee: Samson AG
Current assignee: Samson AG
Priority date: 2016-07-15
Filing date: 2016-07-15
Publication date: 2018-01-18
Also published as: JP7030774B2; US11353075B2; JP2019530392A; US20210293293A1; WO2018011188A1; KR102298254B1; CN210128110U; KR20190029574A

Abstract

Bei einem elektrischen Stellantrieb für ein Stellgerät mit Sicherheitsstellfunktion zum Stellen eines Stellglieds, wie eines Ventilglieds, einer prozesstechnische Anlage, umfasst der Stellantrieb einen Elektromotor zum Bereitstellen eines Drehmoments zum Betätigen des Stellglieds, wobei der Elektromotor eine Motorwelle zum Abgeben des Drehmoments aufweist, eine Abtriebswelle zum Übertragen des Drehmoments von dem Elektromotor an das Stellglied, und eine insbesondere elektromagnetische und/oder stromlos entkuppelnde Kupplung, zum Bereitstellen und/oder Unterbrechen einer drehmomentübertragenden Verbindung zwischen der Motorwelle und der Abtriebswelle, und die Abtriebswelle, die Motorwelle und die Kupplung sind koaxial zu einander angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Stellantrieb für ein Stellgerät mit Sicherheitsstellfunktion zum Stellen eines Stellglieds, wie eines Ventilglieds, einer prozesstechnischen Anlage, wie einer chemischen Anlage, beispielsweise einer petrochemischen Anlage, einem Kraftwerk, einer lebensmittelverarbeitenden Anlage, einer Heizanlage, beispielsweise einer Heizanlage für ein Gebäude, einen Gebäudeteil, wie ein Apartment, oder einen Raum eines Gebäudes, oder dergleichen. Die Erfindung betrifft auch ein Stellgerät mit Sicherheitsstellfunktion das ein Stellglied, wie einem Ventilglied, einer prozesstechnischen Anlage und einen erfindungsgemäßen elektrischen Stellantrieb umfasst.
Ein Stellgerät mit elektrischem Stellantrieb ist beispielsweise von DE 195 19 638 A1 bekannt. Das bekannte Stellgerät umfasst einen Ventilstellantrieb mit einer Sicherheitsstellfunktion zur Betätigung eines Ventils. Bei dem bekannten Stellgerät ist ein in Drehrichtung umkehrbarer Antriebsmotor vorgesehen, dessen Antriebskraft über ein Getriebe auf einen Stößel zur Ventilbetätigung wirken kann. Das Stellgerät umfasst ferner eine elektromagnetische Bremse bzw. Kupplung und einen auf den Stößel wirkenden Federspeicher, der im normalen Betrieb des Stellgeräts durch die Wirkung der elektromagnetischen Bremse bzw. Kupplung mit dem Antriebsmotor gekoppelt ist. Bei Ausfall der Stromversorgung wird das Ventil bei dem bekannten Stellgerät aus Sicherheitsgründen in eine definierte, in der Regel geschlossene, Ventilstellung gebracht, indem die elektrische Kupplung zwischen dem Elektromotor und dem Stößel gelöst wird, sodass der Federspeicher auf den Stößel einwirkt, um das Ventil in seine definierte (Schließ) Stellung zu bringen. Bei dem bekannten Stellgerät und anderen gattungsgemäßen Stellgeräten mit Sicherheitsfunktion ist der antreibende Elektromotor zwingend so auszulegen, dass er einen ausreichenden Mindestdrehmoment bereitstellt, um das Stellglied, trotz der fortwährenden Einwirkung des Federspeichers, der das Stellventil in Richtung Schließstellung drängt, in eine Soll-Stellung zu bewegen. Das bekannte Stellgerät hat sich in der praktischen Anwendung bewährt und erfreut sich großer Beliebtheit. Allerdings besteht der Wunsch danach, die Funktionalität des bekannten Stellgeräts auf einem geringeren Bauraum bereitzustellen, wobei die Anschaffungs- und Unterhaltskosten des Stellgeräts möglichst gering sein sollen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stellgerät mit Sicherheitsstellfunktion bzw. einen elektrischen Stellantrieb für ein Stellgerät mit Sicherheitsstellfunktion bereitzustellen, das die Nachteile des Stands der Technik überwindet und bei dem insbesondere der erforderliche Bauraum reduziert ist; vorzugsweise unter gleichzeitiger Beibehaltung oder Verringerung der Anschaffungs- und Betriebskosten.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1.
Demnach ist ein elektrischer Stellantrieb für ein Stellgerät mit Sicherheitsstellfunktion zum Stellen eines Stellglieds, wie eines Ventilglieds, einer prozesstechnischen Anlage, einer chemischen Anlage, insbesondere einer petrochemischen Anlage, einem Kraftwerk, einer lebensmittelverarbeitenden Anlage, einer Heizanlage oder dergleichen, vorgesehen. Der elektrische Stellantrieb umfasst einen Elektromotor zum Bereitstellen eines Drehmoments zum Betätigen des Stellglieds, wobei der Elektromotor eine Motorwelle zum Abgeben des Drehmoments aufweist, eine Antriebswelle zum Übertragen des Drehmoments von dem Elektromotor an das Stellglied und eine Kupplung zum Bereitstellen und/oder Unterbrechen einer drehmomentübertragenden Verbindung zwischen der Motorwelle und der Antriebswelle.
Vorzugsweise ist die Kupplung als stromlos entkuppelnde Kupplung realisiert. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn die Sicherheitsstellfunktion bei einem Stromausfall, einem Ausfall eines elektrischen Signals, oder dergleichen aktiviert werden soll. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei der Kupplung um eine elektromagnetische Kupplung handeln. Eine elektromagnetische Kupplung kann beispielsweise mit zwei weichmagnetischen Käfigen und einer Spule realisiert sein, wobei vorzugsweise die Spule und einer der Käfige ortsfest (gehäusefest), insbesondere drehfest gegenüber einem stationären Teil des Elektromotors gehalten sind, wobei der zweite Käfig demgegenüber drehbar ist und mit der drehmomentübertragenden Verbindung zwischen der Motorwelle und der Antriebswelle verbunden ist. Bei stromdurchflossener Spule der elektromagnetischen Kupplung können die beiden weichmagnetischen Käfige ein gegenseitiges Haltemoment aufeinander ausüben. Vorzugsweise umfasst der erfindungsgemäße elektrische Stellantrieb genau einen Elektromotor. Als Elektromotor kann beispielsweise ein 50-Herz-Synchronmotor eingesetzt werden, der sich besonders gut dazu eignet, mit der Stromversorgung des normierten europäischen 50-Herz-Stromnetzes eingesetzt zu werden, wobei keine zusätzlichen Transformatoren zur Anpassung des Netzstroms an den Motor erforderlich sind. Alternativ kann als Elektromotor ein Gleichstrommotor oder DC-Motor eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß sind die Antriebswelle, die Motorwelle und die Kupplung koaxial zueinander angeordnet. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass bei Anordnung der Kupplung koaxial zur Motorwelle und Antriebswelle der erforderliche Bauraum eines erfindungsgemäßen elektrischen Stellantriebs, sowie die Anzahl der einzelnen Bauteile, gegenüber einem konventionellen, elektrischen Stellantrieb deutlich reduziert werden kann. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Stellantriebs liegt darin, dass er erlaubt, die Bestandteile eines Stellgeräts an einer geringeren Anzahl von Achsen als gebräuchlich anzuordnen, indem auf die im Stand der Technik erforderliche separate Achse der Kupplung verzichtet wird. Vorzugsweise kann das (netz-)stromversorgte Teil des Elektromotors und/oder gegebenenfalls der Kupplung ortsfest, insbesondere gegenüber einem Gehäuse des elektrischen Stellantriebs bzw. Stellgeräts angeordnet sein. Auf diese Weise wird vermieden, dass die Kosten für die Verkabelung der (netz-)stromversorgten Teile von Elektromotor und gegebenenfalls elektromagnetischer Kupplung einen erhöhten Investitionsaufwand erfordern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst der elektrische Stellantrieb ferner ein vorzugsweise koaxial zur Antriebswelle angeordnetes Getriebe, insbesondere ein Planetengetriebe, zum Übertragen des Drehmoments von dem Elektromotor an die Antriebswelle, wobei die Motorwelle das zu übertragende Drehmoment, insbesondere das Antriebsdrehmoment, von dem Elektromotor an das Getriebe bereitstellt. Denkbar sind auch andere Getriebe. Vorzugsweise weit das Getriebe mehrere relativ zu einander bewegliche Getriebekomponenten auf, wie eine Drehmomenteingangsgetriebekomponente, eine Drehmomentausgangsgetriebekomponente und/oder eine Drehmomentübermittlungsgetriebekomponente beziehungsweise Drehmomentübertragungskomponente. Die Motorwelle kann drehfest, insbesondere material-, form- oder kraftschlüssig, mit einer Drehmomenteingangsgetriebekomponente verbunden sein. Die Abtriebswelle kann drehfest, insbesondere material-, form- oder kraftschlüssig, mit einer Drehmomentausgangsgetriebekomponente verbunden sein. Es sei klar, dass ein untersetzendes oder übersetzendes Getriebe der Antriebswelle ein Abtriebsdrehmoment bereitstellt, das sich von dem Antriebsdrehmoment, das unmittelbar an der von dem Motor ausgehenden Welle anliegt, unterscheidet. Insofern kann unterschieden werden zwischen einem Antriebsdrehmoment auf der Antriebsseite eines Getriebes und einem Abtriebsdrehmoment an der motorfernen Seite des Getriebes. Allerdings sei klar, dass, wenn vorliegend im Allgemeinen von einem Drehmoment geschrieben wird, dieser Begriff sowohl Antriebdrehmoment als auch Antriebsdrehmoment umfassen kann sowie gegebenenfalls, bei Vorhandensein mehrerer Getriebestufen, Antriebsdrehmomente und Abtriebsdrehmomente.
Dem Fachmann ist klar, dass die gesamte dem Stellgerät bereitgestellte Leistung am Ausgang des Elektromotors in Form der dort vorliegenden Antriebsdrehzahl und des dort vorliegenden Antriebsdrehmoments vorliegt, und dass diese Leistung ungeachtet eventueller Über- oder Untersetzungen in einer oder mehrerer Getriebestufen nicht überschritten werden kann und den Drehmoment des Elektromotors definiert, welcher der Elektromotor zum Betätigen des Stellgeräts bereitstellt.
Das Getriebe des elektrischen Stellantriebs besteht vorzugsweise aus genau einer Getriebestufe. Vorzugsweise ist das Getriebe des elektrischen Stellantriebs als Untersetzungsgetriebe, insbesondere mit genau einer Untersetzungsgetriebestufe ausgelegt. Vorzugsweise hat das Untersetzungsgetriebe ein Untersetzungsverhältnis wenigstens 2, 3, 5, 7 oder 9. Ein als Untersetzungsgetriebe ausgelegtes Getriebe eignet sich besonders gut dazu, ein niedriges Antriebsdrehmoment bei hoher Antriebsdrehzahl in ein höheres Abtriebsdrehmoment bei geringerer Abtriebsdrehzahl umzuwandeln. Besonders bevorzugt ist das Getriebe nicht selbsthemmend ausgeführt. Ein nicht selbsthemmendes Getriebe eignet sich besonders gut zur Kombination mit einem abtriebsseitig des Getriebes vorgesehenen Federspeicher zum Verfahren des Stellglieds in die Sicherheitsstellung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung eines erfindungsgemäßen elektrischen Stellantriebs ist das vorzugsweise untersetzende Getriebe als Planetengetriebe ausgestaltet. Ein Planetengetriebe umfasst (als Getriebekomponenten) ein zentrales, koaxiales Sonnenrad, ein äußeres, innenverzahntes, koaxiales Hohlrad sowie wenigstens ein Planetenrad, vorzugsweise mehrere Planetenräder, insbesondere eine ungerade Anzahl Planetenräder, beispielsweise drei oder fünf Planetenräder, die zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad angeordnet sind und mit dem Hohlrad und dem Sonnenrad in Eingriff stehen. Ein Planetengetriebe umfasst ferner (als weitere Getriebekomponente) einen Planetensteg, der mit dem wenigstens einen Planetenrad oder den mehreren Planetenrädern verbunden ist, wobei das bzw. die Planetenräder um ihre Planetenradachse drehbar an dem Planetensteg gelagert sind, vorzugsweise einem Wellen- oder Achsenkörper des Planetenstegs. Insbesondere kann die Abtriebswelle zumindest abschnittsweise als Planetensteg des Getriebes realisiert sein. Alternativ kann insbesondere ein Planetensteg des Planetengetriebes unmittelbar drehmomentübertragend, vorzugsweise drehfest, kraftschlüssig und/oder formschlüssig, mit der Abtriebswelle verbunden sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Motorwelle drehfest mit dem Sonnenrad des Planetengetriebes verbunden sein. Eine derartige Ausgestaltung des Getriebes als Planetengetriebe mit angetriebenem Sonnenrad und abtreibenden Planetenrädern mit vorzugsweise feststehendem Hohlrad eignet sich besonders gut für ein verhältnismäßig hohes Untersetzungsverhältnis.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, die mit der oben beschriebenen kombinierbar ist, ist eine Getriebekomponente, vorzugsweise ein Hohlrad, des gegebenenfalls als Planetengetriebe ausgestalteten Getriebes drehfest gegenüber einem drehbeweglichen Teil der Kupplung. Vorzugsweise umfasst bei dieser bevorzugten Ausführung eines elektrischen Stellantriebs die Kupplung einen relativ zu dem Elektromotor und/oder dem Stellantriebsgehäuse ortsfesten Kupplungsteil. Die Kupplung kann funktionell untergliedert werden in einen drehbeweglichen Teil, der eine Rotationsbewegung mit zusammen mindestens einem Teil der drehmomentübertragenden Verbindung zwischen Motorwelle und Antriebswelle vollführen kann, und einem stationären Kupplungsteil, das vorzugsweise orts- und/oder gehäusefest ist. In Kombination mit dem oben beschriebenen, insbesondere als Planetengetriebe realisierten, Getriebe bietet eine derartige Kupplung den Vorteil, dass eine Getriebekomponente des Getriebes, insbesondere das Hohlrad des Planetengetriebes, wahlweise ortsfest realisiert sein kann, um eine kraftübertragende Verbindung zwischen der Motorwelle und der Abtriebswelle bereitzustellen, oder wahlweise bei geöffneter Kupplung die Getriebekomponente, insbesondere das Hohlrad, freilaufend realisiert sein kann, sodass übrige Getriebekomponenten, beispielsweise die Planetenräder zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad, frei laufen, sodass praktisch keine Drehmomentübertragung zwischen der Motorwelle und der Abtriebswelle erfolgt.
Bei einer bevorzugten Ausführung eines erfindungsgemäßen Stellantriebs ist der Elektromotor mit einer vorzugsweise konstanten Nenndrehzahl ausgelegt von zumindest 200 Umdrehungen/Minute, zumindest 500 Umdrehungen/Minute, zumindest 1000 Umdrehungen/Minute, zumindest 3000 Umdrehungen/Minute oder zumindest 6000 Umdrehungen/Minute. Bei einer bevorzugten Ausführung eines erfindungsgemäßen Stellantriebs ist die Drehrichtung des Elektromotors umkehrbar. Vorzugsweise ist der Elektromotor ein Synchronmotor, der für den Betrieb in einem 50 Hertz-Stromnetz ausgelegt ist. Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführung kann der Elektromotor ein Gleichstrommotor oder DC-Motor sein.
Bei einer bevorzugten Ausführung eines erfindungsgemäßen elektrischen Stellantriebs ist mit dem Getriebe und/oder der Kupplung eine vorzugsweise koaxial zu der Antriebswelle angeordnete Fliehkraftbremse drehfest verbunden. Insbesondere kann die Fliehkraftbremse mit einer Getriebekomponente, insbesondere dem Hohlrad, des Getriebes drehfest verbunden sein. Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen elektrischen Stellantriebs als Teil eines Stellgeräts mit Sicherheitsstellfunktion hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine Fliehkraftbremse vorzusehen, die vorzugsweise während des Stellbetriebes, also während der Betätigung des Stellglieds durch den Elektromotor, keine Bremskraft erzeugt. Ferner hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass eine Fliehkraftbremse dazu ausgelegt ist, bei Ausführung der Sicherheitsstellfunktion durch das Stellgerät eine Bremskraft, vorzugsweise eine von der Beschleunigung der Abtriebswelle abhängige Bremskraft, bereitzustellen, die vorzugsweise oberhalb einer Beschleunigungsgrenzwertes ihre Bremsfunktion entfaltet, um Beschädigungen des Stellgeräts in Folge von übermäßig starken Beschleunigungen zu verhindern. Vorzugsweise umfasst der elektrische Stellantrieb einen mit der Fliehkraftbremse zusammenwirkenden Bremstopf, der ortsfest an einem Gehäuse und/oder ortsfest relativ zu dem stationären Teil der Kupplung bzw. dem Elektromotor gehalten ist.
Bei einer bevorzugten Ausführung eines erfindungsgemäßen elektrischen Stellantriebs erstreckt sich die Motorwelle in einer Axialrichtung von dem Getriebe, insbesondere der Getriebeingangskomponente bzw. Drehmomenteingangsgetriebekomponente, insbesondere dem Sonnenrad eines Planetengetriebes, zu dem Elektromotor, vorzugsweise in und/oder durch den stationären Teil des Elektromotors. Dabei erstreckt sich die Motorwelle vorzugsweise vollständig durch die Kupplung, deren stationären und/oder drehbeweglichen Teil, und/oder gegebenenfalls durch die Fliehkraftbremse, deren drehbeweglichen Teil und/oder deren Bremstopf. Bei dieser Anordnung durchdringt die Motorwelle die Kupplung sowie gegebenenfalls die Fliehkraftbremse in Axialrichtung. Durch diese bevorzugte Anordnung kann ein besonders kompakter Aufbau des Stellantriebs realisiert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführung eines erfindungsgemäßen elektrischen Stellantriebs ist die Motorwelle axialabschnittsweise in Radialrichtung vorzugsweise vollumfänglich von einer Hülse oder Hohlwelle umgeben. Die Hohlwelle ist insbesondere relativ zu der Motorwelle drehbeweglich und/oder an der Motorwelle gelagert. Eine Lagerung der Hohlwelle an der Motorwelle kann vorzugsweise als Gleitlagerung realisiert sein. Vorzugsweise ist die Hohlwelle drehfest verbunden mit einer Getriebekomponente, vorzugsweise einer Drehmomentübertragungskomponente oder Drehmomentübermittlungskomponente, insbesondere dem Hohlrad, dem drehbeweglichen Teil der Fliehkraftbremse und/oder dem drehbeweglichen Teil der Kupplung. Die Verwendung einer die Motorwelle umgebenden Hohlwelle zur Drehmomentenübertragung zwischen einer Getriebekomponente, insbesondere dem Hohlrad, des insbesondere als Planetengetriebe ausgestatteten Getriebes und der Kupplung sowie gegebenenfalls der Fliehkraftbremse verbessert die Lagerungsstabilität der drehenden Teile, während des Stellbetriebs also die Lagerung der Motorwelle und bei ausgelöster Sicherheitsstellfunktion die Drehbewegung der Hohlwelle mit der darauf sitzenden Kupplung und gegebenenfalls der Fliehkraftbremse.
Bei einer bevorzugten Ausführung eines erfindungsgemäßen elektrischen Stellantriebs, die mit der vorherigen kombinierbar ist, erstreckt sich die Motorwelle zumindest teilweise durch einen Stator und/oder einen Rotor des Elektromotors, wobei vorzugsweise die Motorwelle in Axialrichtung beidseitig des Elektromotors drehbar gelagert ist. Vorzugsweise sind zur drehbaren Lagerung der Motorwelle in Axialrichtung beidseitig des Elektromotors je ein Wälzlager, insbesondere je ein Kugellager, vorgesehen. Die Verwendung einer besonders langen Sonderwelle als Motorwelle zum Übertragen des Drehmoments von dem Elektromotor an das Stellglied gestattet es, zwischen dem Elektromotor und dem Stellglied bzw. einem dem Stellglied vorgeschalteten Getriebe, beispielsweise einem Untersetzungsgetriebe, wie einem Planetengetriebe, weitere Komponenten, insbesondere die Kupplung, platzsparend anzuordnen. Bei einer bevorzugten Ausführung eines elektrischen Stellantriebs erstreckt sich zumindest 25%, zumindest 33%, zumindest 40% oder zumindest 50% der Motorwelle in Axialrichtung außerhalb des Motors. Bei einer bevorzugten Ausführung eines erfindungsgemäßen elektrischen Stellantriebs, die mit der vorherigen kombinierbar ist, ist die Erstreckung der Motorwelle in Axialrichtung zumindest 25%, zumindest 33%, zumindest 40% oder zumindest 50% größer als die Axialerstreckung des Elektromotors. Bei der Verwendung derartiger überlanger Sonderwellen hat es sich überraschenderweise als vorteilhaft hinsichtlich der Stabilität der Welle und deren Rotationsbewegung herausgestellt, Lagerungen vorzusehen, die vorzugsweise einen stationären, mit einem Gehäuse des Elektromotors verbundenen Teil aufweisen können. Aufgrund der sehr hohen Drehzahlen, die beispielsweise durch den bevorzugt einzusetzenden Synchronmotoren, Gleichstrommotoren oder DC-Motoren erreichbar sind, von mehreren Hundert bis zu über Tausend Umdrehungen/Minute, eignen sich zur Lagerung insbesondere Wälzlager, wie Kugellager.
Die Erfindung betrifft ferner ein Stellgerät mit Sicherheitsstellfunktion, das ein Stellglied, wie ein Ventilglied, zum Einstellen einer Prozessfluidströmung einer prozesstechnischen Anlage, wie einer chemischen Anlage, beispielsweise einer petrochemischen Anlage, einer lebensmittelverarbeitenden Anlage, einem Kraftwerk, einer Heizanlage, beispielsweise einer Etagenheizung oder Zentralheizung oder dergleichen, sowie einen wie oben beschrieben ausgeführten elektrischen Stellantrieb umfasst. Das Stellgerät kann insbesondere einen durch die Abtriebswelle betätigbaren Exzenter zum Linearbetätigen des Ventilglieds aufweisen. Alternativ kann das Stellgerät insbesondere einen durch die Abtriebswelle betätigbaren Spindelantrieb, wie eine Gewindespindel, zum Linearbetätigen des Ventilglieds aufweisen.
Bei einer bevorzugten Ausführung eines erfindungsgemäßen Stellgeräts umfasst einen Federspeicher, insbesondere einen Rotationsfederspeicher, zum Verbringen des Stellglieds in eine Sicherheitsstellung, insbesondere bei Stromlosschaltung der Kupplung und/oder des Elektromotors, wobei vorzugsweise der Federspeicher koaxial zu der Abtriebswelle und/oder der Motorwelle angeordnet ist. Vorzugsweise kann der Federspeicher beidseitig relativ zu dem oben beschriebenen Getriebe angeordnet sein.
Eine bevorzugte Ausführung eines erfindungsgemäßen Stellgerats weist ein Stellgerätegehäuse auf, das zwei Gehäuseschalenhälften umfasst. Insbesondere kann in einer ersten Gehäuseschalenhälfte der erfindungsgemäße elektrische Stellantrieb vorzugsweise vollständig untergebracht sein. Vorzugsweise können sämtliche Stromanschlüsse des Stellgeräts in der ersten Gehäuseschalenhälfte vorgesehen sein. Vorzugsweise ist ein Abtriebsexzenter sowie gegebenenfalls ein Federspeicher, insbesondere koaxial zu der Motorwelle, in einer zweiten Gehäuseschalenhälfte untergebracht. Bei einer derartigen Ausgestaltung umfasst das Stellgerät eine Motorwelle, die die Antriebsachse definiert, sowie eine Lagerwelle bzw. Abtriebswelle zum Festlegen der Drehachse des Abtriebsexzenters, wobei die Drehachse des Abtriebsexzenters zu der Antriebsachse koaxial ist. Eine derartige Ausgestaltung erlaubt es, ein besonders kompaktes Stellgerät zu realisieren.
Gemäß einer alternativen Ausführung eines erfindungsgemäßen Stellgeräts können der Stellantrieb und der Abtriebsexzenter mit paralleler Anordnung der Drehachse des Exzenters und der Antriebsachse vorgesehen und insbesondere innerhalb derselben Gehäuseschale untergebracht sein, wobei vorzugsweise getrennte Kammern zum Aufnehmen des erfindungsgemäßen Stellantriebs einerseits und des Abtriebsexzenters andererseits vorgesehen sind. Bei der zweiten alternativen Ausgestaltung eines Stellgeräts ist die Lagerachse, die die Drehachse des Exzenters festlegt, beidseitig des Exzenters an dem Stellgerätegehäuse lagerbar, sodass eine besonders stabile Exzenterlagerung erreichbar ist, mit der insbesondere eine Übertragung von Unwuchten des Exzenters auf die Abtriebswelle des Stellantriebs vermieden werden. Bei dieser alternativen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Stellgeräts kann wenigstens ein drehmomentübertragendes Bauteil, wie ein Stirnrad, zwischen der Abtriebswelle des Stellantriebs und dem Abtriebsexzenter vorgesehen sein. Vorzugsweise ist ein solches Stirnrad als Untersetzungsstirnrad zweistufig aufgebaut.
Bei einer bevorzugten Ausführung eines erfindungsgemäßen Stellgeräts kann dem Abtriebsexzenter vorgeschaltet ein weiteres Getriebe, insbesondere ein Planetengetriebe und/oder Untersetzungsgetriebe, vorzugsweise ein mehrstufiges Planetengetriebe, insbesondere mit angetriebenem Sonnenrad bzw. Sonnenrädern und/oder abgetriebenem bzw. abgetriebenen Planetenradstegen, vorgesehen sein. Wenn das Stellgerätegehäuse gemäß der zweiten Alternative realisiert ist, so ist das weitere Getriebe vorzugsweise in der Exzenterkammer des Gehäuses untergebracht. Vorzugsweise ist das weitere Getriebe ein Planetengetriebe, insbesondere ein mehrstufiges, vorzugsweise zweistufiges Planetengetriebe. Insbesondere können in einem Stellgerät mehrere Getriebe zur Untersetzung verwendet werden, also weitere Getriebe zusätzlich zu dem Getriebe des Stellantriebs, wobei beispielsweise ein hohes Gesamt-Untersetzungsverhältnis wenigstens 100, wenigstens 500, wenigstens 1000, wenigstens 2000 oder sogar wenigstens 5000, vorzugsweise 500 bis 3000, insbesondere 1000 bis 2000 realisiert werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der Erfindung werden durch folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen deutlich, in denen zeigen:
1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Stellantriebs;
1a eine Explosionsansicht des Stellantriebs gemäß 1;
2 eine erste erfindungsgemäße Ausführung eines erfindungsgemäßen Stellgeräts mit einem erfindungsgemäßen Stellantrieb gemäß 1; und
3 eine Querschnittsansicht eines zweiten, alternativen erfindungsgemäßen Stellgeräts mit einem erfindungsgemäßen Stellantrieb gemäß 1.
Die in 1 und 1a dargestellte bevorzugte Ausführung eines erfindungsgemäßen Stellantriebs 1 umfasst als Hauptbestandteile einen Elektromotor 5 mit einer Motorwelle 21, eine Abtriebswelle 3, sowie eine elektromagnetische Kupplung 11, die in bestromtem Zustand eine drehmomentübertragende Verbindung von der Motorwelle 21 zu der Abtriebswelle 3 bereitstellt. Die Motorwelle 21 und die Abtriebswelle 3 sind koaxial zueinander angeordnet. Ihre jeweilige bzw. gemeinsame Drehachse definiert die Motorachse A.
An dem Gehäuse des Elektromotors 5 sind in Richtung der Motorachse A beidseits Kugellager 23, 25 befestigt zur drehbeweglichen Lagerung der Motorwelle 21 relativ zu dem stationären Teil des Elektromotors 5. Die Motorwelle 21 erstreckt sich in Axialrichtung A vollständig durch den stationären Teil des Elektromotors 5 hindurch, bis hin zu dem Getriebe. Bei der in 1 dargestellten bevorzugten Ausführung eines erfindungsgemäßen Stellantriebs 1 ist das Getriebe als Planetengetriebe 7 realisiert, das als Getriebekomponenten ein Sonnenrad 71, drei Planetenräder 76, ein Hohlrad 75 und einen Planetenradsteg 73 umfasst. Das Sonnenrad 71 des Planetengetriebes 7 ist drehfest mit der Motorwelle 21 verbunden und dient als Getriebeingangskomponente. Der von dem Motor 5 auf die Motorwelle 21 aufgebrachte Antriebsdrehmoment wird über das Sonnenrad 71 in das Planetengetriebe 7 eingebracht, um über das Planetengetriebe 7 auf die Abtriebswelle 3 und von dort weiter in Richtung des in 1 nicht dargestellten Stellglieds übertragen zu werden.
In bestromtem Zustand der elektromagnetischen Kupplung 11 des Stellantriebs 1 steht das Hohlrad 75 des Planetengetriebes 7 still. Das Hohlrad 75 des Planetengetriebes 7 ist über eine Hohlwelle 27 drehfest mit einem drehbaren Teil 12 der elektromagnetischen Kupplung 11 verbunden. In strombeaufschlagtem Zustand der elektromagnetischen Kupplung 11 bewirkt ein Elektromagnet 10 Haltekräfte zwischen dem stationären Teil 15 und dem beweglichen Teil 12 der elektromagnetischen Kupplung 11. Der stationäre Teil 15 und der bewegliche Teil 12 der elektromagnetischen Kupplung 11 sind als weichmagnetische Klauen realisiert. Der ortsfeste Teil, der auch als stationärer Teil 15 bezeichnet ist, ist drehfest verbunden mit dem stationären Teil des Elektromotors 5 und dem Gehäuse 35 des Stellantriebs. Das Stellantriebsgehäuse 35 ist dazu ausgelegt, wie unten dargelegt, drehfest in einem Stellgerätegehäuse (135, 135') verankert zu werden, beispielsweise angeflanscht zu werden. Das Stellantriebsgehäuse 35 kann auch als Befestigungsabschnitt oder Stellantriebsflansch bezeichnet werden. Der Elektromagnet 10 gehört zum stationären Teil 15 der elektromagnetischen Kupplung 11. Sowohl der Elektromagnet 10 der Kupplung 11 als auch der Elektromotor 5 können durch ortsfeste Stromleitungen, die keine Rotationsbewegung unterzogen werden brauchen, mit Strom versorgt werden.
Die Hohlwelle 27 umgibt die Motorwelle 21 in Radialrichtung vollumfänglich. Zwischen der Hohlwelle 27 und der Motorwelle 21 kann eine Gleitpassung vorgesehen sein. An der Hohlwelle 27 ist in Axialrichtung A zwischen dem Hohlrad 75 und dem drehbeweglichen Teil 12 der elektromagnetischen Kupplung 11 eine Fliehkraftbremse 13 vorgesehen. Die Fliehkraftbremse 13 ist drehfest mit der Hohlwelle 27 verbunden. Radial relativ zu der Axialrichtung der Motorachse A, die Fliehkraftbremse 13 umgebend, ist in dem Stellantriebsgehäuse 35 ein Bremstopf 17 vorgesehen, mit dem die Fliehkraftbremse 13 zum Erzeugen einer Bremskraft in einen Reibkontakt treten kann. Die Fliehkraftbremse 13 umfasst zwei rotationssymmetrisch zu einander angeordnete Bremsarme, in deren radial äußerem Abschnitt Ausnehmungen, beispielsweise Bohrungen, zum Aufnehmen von Gewichten, beispielsweise Zylinderstiften, etwa aus Metall, insbesondere aus Blei, vorgesehen sind. Der Topf 17 ist vorzugsweise in das Stellantriebsgehäuse 35 eingepresst und kann insbesondere rotationsfest gegenüber dem Befestigungsabschnitt 35 gehalten sein. Zur drehfesten Verbindung der Hohlwelle 27 mit den radial außenseitig darauf angeordneten Komponenten, also dem drehbeweglichen Kupplungsteil 12, der Fliehkraftbremse 13 und/oder dem Hohlrad 75 kann beispielsweise eine Keilwellenverbindung, eine unrunde Verbindung, eine Pressverbindung, eine Zahnwellenverbindung oder dergleichen vorgesehen sein.
Wenn das Hohlrad 75 des Planetengetriebes 7 des in 1 und 1a dargestellten Stellantriebs 1 feststeht, weil es von der strombeaufschlagten Kupplung 11 gegenüber dem Gehäuse und dem Elektromotor 5 ortsfest gehalten wird, können die Planetenräder 76 durch die Bewegung des Sonnenrads 71 angetrieben in dem Hohlrad 75 abrollen. Das Hohlrad 75 und die Planetenräder 76 wirken als Drehmomentübermittlungsgetriebekomponenten. Durch die Abrollbewegung der Planetenräder 76 wird auch der Planetenradsteg 73 bewegt, der die Planetenräder 76 drehbar trägt. Der in 1a dargestellte Planetenradsteg 73 ist zweiteilig ausgebildet und bildet zusammengebaut eine Käfigstruktur zum Aufnehmen der Planetenräder 76. Die beiden Hälften des Planetenradstegs 76 sind durch eine Schnapp- bzw. Rastverbindung fest verbindbar. Der Planetenradsteg 73 weist Zapfen zum Tragen der Planetenräder 76 auf. Die Abtriebswelle 3 ist einstückig mit dem Planetenradträger 73 ausgebildet und weist außenseitig eine Zahnradprofilform auf. Die Abtriebswelle 3 kann über ihre Zahnrad-Außenprofilierung den Abtriebsdrehmoment des Planetengetriebes 7 abgeben. Der Planetenradträger 73 realisiert eine Getriebeausgangskomponente bzw. Drehmomentausgangsgetriebekomponente.
Wenn die Kupplung 11 des Stellantriebs 1 geöffnet wird, was bei der dargestellten bevorzugten Ausführung dadurch realisiert werden kann, dass die elektromagnetische Kupplung 11 stromlos geschaltet wird, kann sich der drehbeweglich Teil 12 der Kupplung 11 unabhängig von dem stationären Teil 15 der elektromagnetischen Kupplung 11 bewegen. Die elektromagnetische Kupplung 11 wirkt dann keine Halte- bzw. Bremskraft auf den drehbeweglichen Kupplungsteil 12 aus. Dadurch fällt auch die Haltekraft, die das Hohlrad 75 ortsfest hält, weg. Wenn das Hohlrad 75 nicht durch die Kupplung 11 ortsfest gehalten ist, ist das Hohlrad 75 frei drehbar. Wenn das Hohlrad 75 frei drehbar ist, rollen die Planetenräder 76 nicht in dem Hohlrad 75 ab. Durch Entkuppeln der Kupplung 11 kann die Drehbewegung der Abtriebswelle 3 über die Planetenstege 73 und die Planetenräder 76 direkt auf das Hohlrad 75 übertragen werden. Das Hohlrad 75 dreht sich bei entkoppelter Kupplung 11 mit der Abtriebswelle 3.
Wenn das Hohlrad 75 nicht feststeht, werden keine oder nur sehr geringfügige Drehmomente von dem Sonnenrad 71 über die Planetenräder 76 auf den Planetenradsteg 73 übertragen. Wenn das Hohlrad 75 freiläuft, können die Planetenräder 76 innerhalb des Hohlrads 75 freilaufen, sodass eine Bewegung des Sonnenrads 71 keine oder allenfalls eine äußerst geringfügige Rotationsbewegung des Planetenradstegs 73 bewirkt.
Wenn auf der motorfernen Seite des Getriebes ein Drehmoment auf die Abtriebswelle 3 wirkt, beispielsweise durch eine Stellglied-Rückstellfeder, kann dieser Drehmoment bei entkoppelter Kupplung 11 ungehindert durch einen Antriebsdrehmoment des Elektromotors 5 auf die Abtriebswelle 3 wirken. Es sei klar, dass anstelle der dargestellten elektromagnetischen Kupplung 11 alternativ eine andersartige Kupplung vorgesehen sein kann um eine einer drehmomentübertragenden Verbindung zwischen der Motorwelle 21 und der Abtriebswelle 3 bereitzustellen und/oder zu unterbrechen, beispielsweise eine Reibkupplung, eine Klauenkupplung oder dergleichen.
Der Elektromotor 5 des Stellantriebs 1 kann vorzugsweise derart bemessen sein, dass auch in unbestromtem Zustand ein geringer Drehmoment von dem Elektromotor 5 auf die Motorwelle 21 wirkt. Ein solcher Minimal-Drehmoment kann beispielsweise von einem als Synchronmotor, Gleichstrommotor oder DC-Motor ausgeführten Elektromotor durch dessen Dauermagneten bereitgestellt sein. Wäre die Kupplung auch im stromlosen Zustand geschlossen, kann der Minimal-Drehmoment des Motors infolge der hohen Übersetzung und Schnelle durch das Getriebe ausreichen, um eine Selbsthemmung des Stellantriebs 1 gegenüber einer Betätigung der Abtriebswelle 3 durch den Federspeicher zu bewirken. Eine derartige sicherheitskritische Selbsthemmung wird durch das Entkuppeln der Kupplung zum Unterbrechen der drehmomentübertragenden Verbindung vermieden.
Wenn durch ein Drehmoment von der antriebsfernen Seite bei geöffneter Kupplung 11 ein Drehmoment auf die Abtriebswelle 3 wirkt, beschleunigt dies die Abtriebswelle 3 im Drehsinn des antriebsfernen Drehmoments. Mit der Abtriebswelle 3 wird auch das drehbare Hohlrad 75 gedreht, das drehfest mit der Fliehkraftbremse 13 verbunden ist. Die Fliehkraftbremse 13 ist dazu ausgelegt, eine beschleunigungsabhängige Bremswirkung bereitzustellen. Je höher die Beschleunigung der Fliehkraftbremse 13 ist, desto weiter bewegen sich die fliehkraftbeaufschlagten Bremsarme der Fliehkraftbremse 13 radial nach außen, bis sie bei einem konstruktiv vorbestimmbaren Beschleunigungs-Grenzwert in einen Schleifkontakt bzw. Reibkontakt mit der Bremstrommel 17 gelangen, um die Bremswirkung der Fliehkraftbremse 13 zu entfalten. Auf diese Weise verhindert die Fliehkraftbremse 13 gefährliche schlagartige Bewegungen infolge hoher Beschleunigungen.
Die in den 2 und 3 dargestellten unterschiedlichen erfindungsgemäßen Stellgeräte 101, 102 umfassen beide jeweils einen Stellantrieb 1 wie oben beschrieben. Zur einfacheren Lesbarkeit und zur Vermeidung von Wiederholungen werden im Folgenden für die gleichen oder identischen Bauteile die gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen verwendet.
Das Stellgerät 101 gemäß 2 umfasst als seine Hauptbestandteile einen Stellantrieb 1 mit einem Elektromotor 5, einer Motorwelle 21, einer Abtriebswelle 3 und einer Kupplung 11 zum Bereitstellen und/oder Unterbrechen einer drehmomentübertragenden Verbindung zwischen der Motorwelle 21 und der Antriebswelle 3.
Als weiteren Hauptbestandteil umfasst das Stellgerät 101 gemäß 2 ein Stellglied, das in 2 nur schematisch als Stellventil 113 dargestellt ist. Das Stellventil 113 des Stellgeräts 101 ist dazu ausgelegt, eine Translationsbewegung zu vollführen. Das Stellventil 113 des Stellgeräts 101 wird durch einen Stößel 111 des Stellgeräts 101 betätigt, der über einen Exzenter 103 mit dem Drehmoment des Elektromotors beaufschlagt wird. Der Exzenter 103 ist drehbar um eine Exzenterlagerachse 121 gelagert. Der Exzenter 103 ist insbesondere dazu ausgelegt, eine maximale Drehbewegungsamplitude von weniger als 180°, vorzugsweise weniger als 135°, insbesondere weniger als 90°, zu vollführen. Die Drehbewegung des Exzenters 103 wird über den Stößel 111 in eine translatorische Stellglied-Bewegung übersetzt.
Mit dem Exzenter 103 ist ein Rotationsfederspeicher 105 fest verbunden. Der Federspeicher 105 ist dazu ausgelegt, den Exzenter 103 derart zu bewegen, dass das Stellventil 113 in eine vorbestimmte Sicherheitsstellung verfahren wird. Diese Sicherheitsstellung kann beispielsweise eine vollständig geöffnete Ventilstellung oder eine vollständig geschlossene Ventilstellung sein. Der Federspeicher 105 umfasst eine Drehfeder, die sich einerseits an dem Exzentergehäuse 139 abstützt und auf der anderen Seite fest mit dem Exzenter 103 verbunden ist. Der Federspeicher 105 kann dazu ausgelegt sein, in der vorbestimmten Sicherheitsstellung einen vorbestimmten Sicherheits-Federkraft-Überschuss vorzuhalten, sodass insbesondere in einer Sicherheits-Schließstellung eine ausreichende Schließkraft gewährleistet ist.
Der Exzenter 103 ist vollständig in dem Exzentergehäuse 139 aufgenommen. Die Exzenterlagerachse 121 ist in ihrer Axialrichtung und vollumfänglich von dem Exzentergehäuse 139 umgeben. Der Federspeicher 105 ist entlang deren axialer Federhöhe sowie in Umfangsrichtung vollständig von dem Exzentergehäuse 139 umgeben.
Der Stellantrieb 1 ist von dem Antriebsgehäuse 135 umgeben. Die Antriebsachse A, die von der Motorwelle 21 definiert wird, ist bei der bevorzugten Ausführung gemäß 2 koaxial zu der Exzenterlagerachse 121 und der durch die Exzenterlagerachse 121 definierte Exzenterachse E angeordnet. Die Drehachse E des Exzenters 103 ist koaxial zu der Motorachse A angeordnet. Das Antriebsgehäuse 135 und das Exzentergehäuse 139 sind koaxial zueinander orientiert und stirnseitig miteinander befestigt, beispielsweise verschraubt. Die Abtriebswelle 3 des Stellantriebs 1 ist als zahnradartiger Fortsatz einstückig mit dem Planetenradsteg 73 des Planetengetriebes 7 verbunden und kann in Axialrichtung A aus dem Antriebsgehäuse 135 herausragen.
Die Abtriebswelle 3 des Stellantriebs 1 kann unmittelbar oder mittelbar drehmomentübertragend mit dem Exzenter 103 verbunden sein. Bei der bevorzugten Ausführung des Stellgeräts 101 gemäß 2 erfolgt die Drehmomentübertragung von der Abtriebswelle 3 auf den Exzenter 103 mittelbar über ein weiteres Getriebe 107, das als zweistufiges Planetengetriebe realisiert ist. Bei dem weiteren Getriebe 107 sind Exzentergehäuse (139)-feste Hohlräder vorgesehen, in denen Planetenräder abrollen. Die Abtriebswelle 3 wirkt als Sonnenrad der ersten Getriebestufe des weiteren Getriebes 107. Die Exzenterlagerachse 121 erstreckt sich von dem Exzentergehäuse 139 bis hinein in die Abtriebswelle 3, um den Exzenter 103 und das weitere Getriebe 107 zu lagern. Auf der Exzenterlagerachse 121 ist auch der mittlere Planetensteg und das damit einstückig gebildete Sonnenrad, das die beiden Planetengetriebestufen des weiteren Getriebes 107 miteinander verbindet, drehbar gelagert.
Der Exzenter 103 weist Zapfen zum drehbaren Lager der zweiten Planetenräder des weiteren Getriebes 107 auf. Das weitere Getriebe 107 realisiert eine weitere Untersetzung. Der Antriebsdrehmoment des Elektromotors 5 wird durch das Planetengetriebe 7 des Stellantriebs 1 in den an der Abtriebswelle 3 vorliegenden Abtriebsdrehmoment gewandelt.
Der Abtriebsdrehmoment des Stellgeräts wirkt als Antriebsdrehmoment auf das weitere Getriebe 107 und wird von dem weiteren Getriebe 107 umgewandelt in ein an dem Exzenter 103 anliegendes Antriebsdrehmoment, mit dem der Exzenter 103 den Stößel 111 und so das Ventilglied 113 betätigt. entsprechend der obigen Beschreibung erfolgt eine Drehmomentübertragung von dem Elektromotor 5 des Stellantriebs 1 auf den Exzenter 103 des Stellgeräts 101 nur bei geschlossener Kupplung 11. Wird die Kupplung 11 geöffnet, in der hier beschriebenen bevorzugten Ausführung beispielsweise dadurch, dass die elektromagnetische Kupplung 11 stromlos geschaltet wird, sodass die elektromagnetische Haltekraft zwischen dem ortsfesten Kupplungsteil 15 und dem drehbeweglichen Kupplungsteil 12 wegfällt, wird das drehfest mit dem drehbeweglichen Kupplungsteil 12 in Verbindung stehende Hohlrad 75 des Planetengetriebes 7 des Stellantriebs 1 ebenfalls nicht länger ortsfest gehalten und ist daher im Wesentlichen frei drehbar. Der Drehmoment von dem Elektromotor 5 wird dann praktisch nicht mehr von dem Sonnenrad 71 auf den Planetenradsteg 73 übertragen.
Bei stromlos geschalteter, geöffneter Kupplung 11 wirkt weiterhin der Federspeicher 105 einen drehmomentausübend auf den Exzenter 103 aus. Dieser Federspeicher-Drehmoment bewirkt, wie oben beschrieben, das Verfahren des Stellventils 113 in die vorbestimmte Sicherheitsstellung. Aus der dabei erfolgenden Drehbewegung des Exzenters 103 um die Drehachse E des Exzenters 103 resultiert in einer Bewegung der Zapfen des Exzenters 103, die die Hohlräder des weiteren Getriebes 107 lagern. Infolge der Exzenterbewegung 103 erfolgt eine Bewegung des weiteren Getriebes 107, welche übertragen wird auf die Abtriebswelle 3. Die Abtriebswelle 3 ist, wie oben beschrieben, ausgeführt als zahnradartiger Fortsatz des Planetenradstegs 73 des Planetengetriebes 7, dessen Drehbewegung bei geöffneter Kupplung 11 praktisch vollständig in eine Hohlrad (75)-Bewegung umgesetzt wird, wobei bei ausreichend hoher Beschleunigung oberhalb eines Beschleunigungs-Schwellwerts eine Bremswirkung der Fliehkraftbremse 13 ausgelöst wird. Der Bremsmoment der Fliehkraftbremse 13 wird über das Planetengetriebe 7 übersetzt durch die Planetengetriebestufen des weiteren Getriebes 107 zurück an den Exzenter 103 übermittelt und bremst dessen Drehbewegung und folglich die Linearbewegung des Ventilglieds 113. Somit wird verhindert, dass das Ventilglied 113 stoßartig in die vorbestimmte Sicherheitsstellung (in der Regel eine Schließstellung) verfährt, sodass Schäden an dem Ventilglied 113 vermieden werden.
3 zeigt eine andere, alternative bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stellgeräts 102. Das Stellgerät 102 unterscheidet sich von dem oben beschriebenen Stellgerät 101 im Wesentlichen dadurch, dass die Antriebsachse A des Stellantriebs 1 parallel zu der Exzenter-Drehachse E angeordnet ist. Zur Überbrückung des Radialabstands zwischen der Antriebsachse A und er Exzenter-Drehachse E ist drehmomentübertragend zwischen der Abtriebswelle 3 ein Stirnrad 109 drehbar an dem Gehäuse 137 des Stellgeräts 102 gelagert. Ein zweites, weiteres Getriebe 107' des Exzenters 103 umfasst neben dem gestuften Stirnrad 109 zur Überbrückung des Abstands zwischen der Antriebsachse A und der Exzenter-Drehachse E ein zweites gestuftes Stirnrad 119, das koaxial zu der Exzenter-Drehachse E um die gehäusefest gehaltene Exzenter-Lagerachse 121' drehbar gelagert ist. Das zweite Getriebe 107' umfasst, ähnlich dem weiteren Getriebe 107 des oben beschriebenen Stellgeräts 101, ein zweistufiges Untersetzungs-Planetengetriebe, dessen Eingangsstufe das gestufte zweite Stirnrad 119 bildet.
Das Gehäuse des Stellgeräts 102 ist im Wesentlichen in zwei Gehäusehälften 135' und 137 unterteilt. Im Vergleich zu der axialen Ausdehnung der Exzenter-Lagerachse 121' und der Motorwelle 21 ist die Ausdehnung der ersten Gehäusehälfte 137 in Axialrichtung wesentlich kleiner als die der zweiten Gehäusehälfte 135'. Die erste Gehäusehälfte 137 kann auch als Gehäusedeckel bezeichnet sein. Die zweite Gehäusehälfte 135' wird im Folgenden als Gehäuseschale bezeichnet. Die Gehäuseschale 135' umfasst zwei parallele zueinander angeordnete Kammern, wobei in einer Kammer der Stellantrieb 1 mit dem Elektromotor 5, der Kupplung 11, der optionalen Fliehkraftbremse 13 und dem optionalen Getriebe 7 angeordnet ist. In der zweiten Kammer der Gehäuseschale 135' sind der Exzenter 103, der Federspeicher 105 und die Planetengetriebestufen des weiteren Getriebes 107 sowie das optionale zweite Stirnrad 119 untergebracht. Die Exzenter-Lagerwelle 121 erstreckt sich in ihrer Axialrichtung E durch den Exzenter 103 und durch die Planetengetriebestufen des weiteren Getriebes 107'. Die Lagerachse 121' ist an ihren beiden gegenüberliegenden Enden in den Gehäusehälften 135', 137 festgehalten.
Die Funktion des Exzenters 103, auch unter Berücksichtigung des Federspeichers 105 des Stößels 111 und der Kupplung 11 sowie der Fliehkraftbremse 13 entspricht bei dem Stellantrieb 102 gemäß 3 im Wesentlichen der oben beschriebenen Funktion im Hinblick auf das Stellgerät 101 gemäß 2. Auch das zweistufige Planetengetriebe des weiteren Getriebes 107, 107' wirkt bei beiden Ausführungen im Wesentlichen gleichartig.
Bei beiden Stellgeräten 101, 102 sind die Kupplung 11 und der Elektromotor 5 über einen Befestigungsabschnitt 35 drehfest miteinander verbunden. Dieser Befestigungsabschnitt 35 kann auch der drehfesten Befestigung des Stellantriebs 1 in einer Gehäusehälfte 135 beziehungsweise 135' dienen. Zu diesem Zweck kann der Befestigungsabschnitt 35 beispielsweise flanschartig zur Befestigung an der Gehäusehälfte 135, 135' des Stellgeräts 101 bzw. 102 ausgestaltet sein.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung der Erfindung in den verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
Bezugszeichenliste

1: Stellantrieb
3: Abtriebswelle
5: Elektromotor
7: Planetengetriebe
10: Elektromagnet
11: elektromagnetische Kupplung
12: drehbarer Kupplungsteil
13: Fliehkraftbremse
15: stationärer Kupplungsteil
17: Bremstopf
21: Motorwelle
23, 25: Kugellager
27: Hohlwelle
35: Stellantriebsgehäuse
71: Sonnenrad
73: Planetenradsteg
75: Hohlrad
76: Planetenrad
101, 102: Stellgerät
103: Exzenter
105: Federspeicher
107, 107': weiteres Getriebe
109, 119: Stirnrad
111: Stößel
113: Stellventil
121, 121': Exzenterlagerachse
135, 135': Antriebsgehäuse
137: Gehäusedeckel
139: Exzentergehäuse
A: Motor-Drehachse
E: Exzenter-Drehachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19519638 A1 [0002]

Claims

Elektrischer Stellantrieb (1) für ein Stellgerät mit Sicherheitsstellfunktion zum Stellen eines Stellglieds, wie eines Ventilglieds, einer prozesstechnische Anlage, umfassend einen Elektromotor (5) zum Bereitstellen eines Drehmoments zum Betätigen des Stellglieds, wobei der Elektromotor (5) eine Motorwelle (21) zum Abgeben des Drehmoments aufweist, eine Abtriebswelle (3) zum Übertragen des Drehmoments von dem Elektromotor an das Stellglied, und eine insbesondere elektromagnetische und/oder stromlos entkuppelnde Kupplung (11), zum Bereitstellen und/oder Unterbrechen einer drehmomentübertragenden Verbindung zwischen der Motorwelle (21) und der Abtriebswelle (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle (3), die Motorwelle (21) und die Kupplung (11) koaxial zu einander angeordnet sind.
Elektrischer Stellantrieb (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Stellantrieb (1) ferner umfasst: ein vorzugsweise koaxial zur Abtriebswelle (3) angeordnetes Getriebe, insbesondere Planetengetriebe (7), zum Übertragen des Drehmoments von dem Elektromotor (5) an die Abtriebswelle (3), wobei die Motorwelle (21) das Drehmoment, insbesondere das Antriebsdrehmoment, von dem Elektromotors (5) an das Getriebe bereitstellt, wobei insbesondere das Getriebe genau eine Getriebestufe aufweist, die vorzugsweise als Untersetzungsgetriebestufe ausgestaltet ist.
Elektrischer Stellantrieb (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das vorzugsweise untersetzende Getriebe als Planetengetriebe (7) ausgestaltet ist, wobei insbesondere die Abtriebswelle (3) zumindest abschnittsweise als Planetensteg (73) des Getriebes realisiert ist oder ein Planetensteg (73) unmittelbar drehmomentübertragend, vorzugsweise drehfest, kraftschlüssig und/oder formschlüssig, mit der Abtriebswelle (3) verbunden ist und/oder wobei die Motorwelle (21) drehfest mit dem Sonnenrad (71) des Getriebes verbunden ist.
Elektrischer Stellantrieb (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Getriebekomponente, vorzugsweise ein Hohlrad (75), des gegebenenfalls als Planetengetriebe (7) ausgestalteten Getriebes drehfest gegenüber einem drehbeweglichen Teil (12) der Kupplung (11) ist.
Elektrischer Stellantrieb (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (5) mit einer vorzugsweise konstante Nenndrehzahl von zumindest 200 U/min, zumindest 500 U/min, zumindest 1000 U/Min, zumindest 3000 U/min oder zumindest 6000 U/min ausgelegt ist und/oder dass die Drehrichtung des Elektromotors (5) umkehrbar ist.
Elektrischer Stellantrieb (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Getriebe und/oder der Kupplung (11) eine vorzugsweise koaxial zur Abtriebswelle (3) angeordnete Fliehkraftbremse (13) drehfest verbunden ist, wobei insbesondere die Fliehkraftbremse (13) mit einer Getriebekomponente, gegebenenfalls dem Hohlrad (75), des Getriebes drehfest verbunden ist.
Elektrischer Stellantrieb (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Motorwelle (21) in ihrer Axialrichtung (A) von dem Getriebe zum Elektromotor (5) durch die Kupplung (11) erstreckt sowie gegebenenfalls durch die Fliehkraftbremse (13) und/oder gegebenenfalls durch das optionale Hohlrad (75).
Elektrischer Stellantrieb (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorwelle (21) axialabschnittsweise in Radialrichtung von einer Hohlwelle (27) umgeben ist, die insbesondere relativ zu der Motorwelle (21) drehbeweglich und/oder an der Motorwelle (21) gelagert ist, vorzugsweise mit einer Gleitlagerung, wobei insbesondere die Hohlwelle (27) drehfest verbunden ist mit einer Getriebekomponente, vorzugsweise einer Drehmomentübertragungskomponente oder einer Drehmomentübermittlungskomponente, wie einem Hohlrad (75), gegebenenfalls der Fliehkraftbremse (13) und/oder dem drehbeweglichen Teil (12) der Kupplung (11).
Elektrischer Stellantrieb (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Motorwelle (21) durch einen Stator und/oder einen Rotor des Elektromotors (5) erstreckt, wobei vorzugsweise die Motorwelle (21) in Axialrichtung beidseitig des Elektromotors (5) drehbar gelagert ist, vorzugsweise mit je einem Wälzlager, insbesondere je einem Kugellager (23, 25).
Stellgerät (101, 102) mit Sicherheitsstellfunktion, umfassend ein Stellglied, wie ein Ventilglied (113), zum Einstellen einer Prozessfluidströmung einer prozesstechnischen Anlage, und einen elektrischen Stellantrieb (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, insbesondere umfassend einen durch die Abtriebswelle (3) betätigbaren Exzenter (103) oder Spindeltrieb zum linearbetätigen des Stellglieds.
Stellgerät (101, 102) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellgerät (101, 102) einen Federspeicher (105) umfasst, insbesondere einen Rotationsfederspeicher, zum Verbringen des Stellglieds in eine Sicherheitsstellung, insbesondere bei Stromlosschaltung der Kupplung (11) und/oder des Elektromotors (5), wobei vorzugsweise der Federspeicher (105) koaxial zur Abtriebswelle (3) angeordnet und/oder vorzugsweise abtriebsseitig relativ zu dem Getriebe angeordnet ist.