DE2714430C3 - Betätigungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung mit einem elektromagnetischen Stellmotor und einer mechanischen Steuereinrichtung, die durch Federkraft in eine erste Stellung gebracht ist, wobei der Stellmotor ein Gehäuse aufweist, an dessen einem Ende die Steuereinrichtung angeordnet ist, wobei der Anker des Stellmotors koaxial zur Erregerspule beweglich gelagert ist und die Steuereinrichtung aus der ersten Stellung bei stromdurchflossener Erregerspule herausbewegt.

Eine derartige Betätigungsvorrichtung ist aus der US-PS 31 61 791 bekannt. Hierbei erfolgt die Kraftübertragung zwischen dem Anker des Stellmotors und einer Ausgangswelle der mechanischen Steuereinrichtung über eine Kette, die um die Ausgangswelle geschlungen ist Aus der US-PS 38 83 839 ist eine ähnliche Betätigungsvorrichtung bekanntgeworden, bei der ein magnetischer Metallkörper in einem Gehäuse längsbeweglich angeordnet ist Dieser Metallkörper ist über Lager an einer feststehenden Stange gehalten und über eine Feder vorgespannt Weiterhin ist der Metallkörper mit einem Hebel verbunden, der seinerseits mit einer Ausgangswelle verbunden ist.

Nachteilig an diesen bekannten Betätigungsvorrichtungen ist, daß ihre Kraftwirkung und ihr Verstellweg bezüglich der Ausgangswelle durch die Kunstruktionsdaten der Vorrichtung bestimmt sind und praktisch nachträglich nicht mehr geändert werden können. Für jeden verschiedenen Anwendungsfall muß daher eine eigene Vorrichtung neu dimensioniert werden. Eine Änderung der Stromstärke durch die Wicklungen der Spule kann zwar in geringem Umfange auch eine größere Kraftwirkung hervorrufen, jedoch ist die Strombelastbarkeit der Wicklungen begrenzt, so daß die bekannten Vorrichtungen nur in sehr geringem Maße an unterschiedliche Anforderungen anpaßbar sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine aus einem bausteinartigen elektro-magnetischen Stellmotcr und aus einer bausteinartigen mechanischen Steuereinrichtung zusammengesetzte Betätigungseinrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zu schaffen, die sehr einfach an einen weiten Bereich von Verstellweg und aufzubringender Kraft der Steuereinrichtung anpaßbar ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Anker an einer Schubstange befestigt ist, die einerseits die elektromagnetische Kraft auf die Steuereinrichtung überträgt, andererseits aber über eine öffnung im Gehäuse an der der Steuereinrichtung abgewandten Seite durch einen weiteren hier anzubauenden Stellmotor beeinflußt werden kann.

Dieser Lösung liegt der Gedanke zugrunde, die einzelnen bausteinartigen Teile so auszubilden und aneinander anzupassen, daß mehrere Stellmotoren räumlich in Serie geschaltet werden können, um so aus identischen bausteinartigen Teilen eine Anpassung an die jeweils geforderten Bedingungen hinsichtlich Kraft und Verstellweg zu erzielen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Anwendungsgebiete der Betätigungsvorrichtung der

Erfindung sind beispielsweise die Steuerung von Drosselventilen eines Brennstoffzufuhrsystems, die

so Betätigung von Bremsventilen an Fahrzeugen, die Fernbedienung von Steuer- und Regelventilen von Kraftwerken oder ähnlichem.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit den Figuren ausführlicher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht der Betätigungsvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform,

F i g. 2 einen Schnitt durch die Betätigungsvorrichtung mit einer Darstellung von Einzelheiten,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linien 3-3 von Fig. 2,

F i g. 4 einen der F i g. 2 ähnlichen Schnitt, bei dem der Stellmotor die Ausgangswelle gedreht hat,

Fig.5 einen der Fig.2 ähnlichen Schnitt mit einer Darstellung der Verwendung von zwei oder mehreren hintereinander angeordneten Stellmotoren zum Erhöhen der auf die Ausgangswelle ausgeübten Kraft,

Fig.6 einen Schnitt einer Steuereinrichtung nach

einer zweiten Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung,

Fig.7 einen Schnitt entlang den Linien 7-7 von Fig. 6.

Fig. i und 4 zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung. Die Erfindung verwendet eine bausteinartige Auslegung mit einer bausteinartigen Steuereinrichtung 10 und einem Stellmotor 12. Dieser Stellmotor ist eine elektromagnetisch gesteuerte geradlinig arbeitende Betätigungseinrichtung. Ein Gehäuse 14 umgibt eine Statorbasis 16 aus magnetischem Material. Bei der dargestellten Ausführungsform weist die Statorbasis 16 eine kegelstumpfförmige Öffnung auf. Angrenzend an die Statorbasis 16 befinden sich ein Wicklungsgehäuse 18 und eine Erregerspule 20. Zentral im Wicklungsgehäuse befinden sich eine Schubstange 22 und ein daran befestigter magnetischer Anker 24. Wie in Fig.2 angegeben, ist der Anker 24 kegelstumpfförmig und verjüngt sich entgegengesetzt zum Konus der Statorbasis.

Wie durch einen Pfeil 25 in Fig.2 angegeben, bewegen sich die Schubstange 22 und der daran befestigte Anker 24 bei stromdurchflossener Erregerspule 20 geradlinig nach links. Diese geradlinige Bewegung wird über ein Gestänge in eine Drehbewegung für einen noch zu beschreibenden Zweck umgewandelt. Die Rücklaufbewegung der Schubstange erfolgt durch Torsions- oder Schraubenfedern in der Steuereinrichtung 10 bei abgeschalteter Erregung.

Die Schubstange ist zu ihrer geradlinigen Bewegung auf einem Satz von Kugelbüchsen 26 gelagert, die vinen extrem niedrigen Reibungskoeffizienten haben. Die Kugelbüchsen erteilen aufgrund ihrer Konstruktion der Schubstange ein Drehmoment. Da die Schubstange in Drehrichtung unbehindert ist, erzeugt dies für sie eine leichte Drehung während wiederholter Bewegungen nach links und rechts. Dies ist ein sehr erwünschte' Merkmal, weil es den Lagerverschleiß vermindert und eine Rillenbildung oder ein Fressen der Schubstange verhindert, wodurch sich eine lange Lebensdauer und ein genauer Betrieb ergeben.

In Fig.4 ist der Stellmotor im betätigten Zustand gezeigt, bei dem sich die Schubstange 22 um einen beträchtlichen Abstand in der Steuereinrichtung 10 erstreckt und das nun zu beschreibende Gestänge berührt. Bei der Entregung der Erregerspule 20 führt die in der Steuereinrichtung vorgesehene Federvorspannung die Schubstange in die in F i g. 2 gezeigte nicht betätigte Stellung zurück.

Gemäß Fig.2 und 3 enthält die Steuereinrichtung nach der ersten Ausführungsform eine sich drehende Ausgangswelle 30, die in in einem Gehäuse 34 vorgesehenen Lagern 32 gelagert ist. Die Ausgangswelle eignet sich zum Anschluß an verschiedene Steuervorrichtungen, etwa die eingangs angegebenen Fiuidsteuerventile. Das Ausmaß der Drehung der Ausgangswelle steuert den Strömungsdurchsatz des durch ein Ventil hindurchtretenden Fluids. Etwa auf halbem Wege zwischen den Lagern ist an der Ausgangswelle 30 eine Gestängeanordnung befestigt, die aus einem Gabelbügel 36 und einem Rollenglied 38 besteht. Gemäß F i g. 2 ist die Rolle 38 so angeordnet, daß bei Verbindung der Steuereinrichtung 10 mit dem Stellmotor 12 das Ende der Schubstange 22 die Rolle berührt. Die Bewegung der Schubstange nach links in Abhängigkeit vom Strom durch die Erregerspule 20 bewirkt ein Schwenken des Rollengestänges, wie durch den Pfeil 40 angegeben. Da die Ausgangswelle am Gabelbügel befestigt ist, dreht dieser sich hiermit.

Gemäß einer ersten Ausführungsform ist in der Steuereinrichtung eine Torsionsfeder 42 vorgesehen, die das Gestänge und die Ausgangswelle in die in F i g. 2 angegebene Stellung durch einen einstellbaren Nocken 44 vorspannt Die Torsionsfeder 42 drückt den Gabelbügel und die Rolle 38 gegen die Schubstange 22, um diese in ihre Ausgangsstellung zurückzuführen, wenn kein elektrischer Strom durch die Erregerspule 20

ίο fließt Wenn die Erregerspule erregt wird, wird die Vorspannung der Torsionsfeder 42 überwunden und die Ausgangswelle 30 erfährt eine Drehbewegung.

Eine vollständige und arbeitsfähige Betätigungsvorrichtung der bisher beschriebenen Bauart wird für gewöhnlich in Verbindung mit einem Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis oder mit Rückkopplung verwendet Ein solches System erfordert die Erzeugung eines Signals, das die tatsächliche Stellung der Ausgangswelle darstellt so daß der durch die Erregerspule 20 fließende Strom bei Bedarf geändert werden kann. Ein solches Signal kann durch ein elektrisches Potentiometer, etwa das Potentiometer 50, in der Steuereinrichtung 10 bereitgestellt werden. Dieses Potentiometer weist eine drehbare Welle 52 auf, die über ein Schwenkglied 54 mit der Rolle 38 verbunden ist. Somit verändert sich bei einer Bewegung der Rolle 38 innerhalb der Steuereinrichtung der vom Potentiometer 50 erzeugte Widerstand und erzeugt ein elektrisches Rückkopplungssignal zur Verwendung durch einen der Vorrichtung zugeordneten Steuerkreis.

Bekanntlich kann ein Rückkopplungs- oder Steuersignal bei Bedarf durch Verändern weiterer physikalischer Parameter abgeleitet werden.

Durch Verwendung einer bekannten Rückkopplungssteuerschaltung in Verbindung mit dem Potentiometer 50 ist ein genaues Positionieren bis hinab zu 0,25 mm oder weniger erzielbar.

Wie eingangs angegeben, kann durch Verwendung einer Rückkopplung und der im vorliegenden angegebenen Konstruktion eine in hohem Maß genaue Steuerung des Ausmaßes zur Drehung der Ausgangswelle erzielt werden. Wie ebenfalls angegeben, verändert sich je nach der Anwendung die Kraft, die von der Schubstange 22 erzeugt werden muß, in Abhängigkeit von der Anwendung, der die Betätigungseinrichtung unterliegt. Bei einigen Anwendungen ist die von einem einzigen Satz von Erregerspulen 20 erzeugte Kraft nicht ausreichend. Bisher war es üblich, eine größere Betätigungseinrichtung besonderer Art vorzusehen, wenn die benötigte Kraft den Ausgang einer Standardeinheit überstieg.

Erfindungsgemäß und wie in F i g. 5 gezeigt, ist es durch Verwendung einer bausteinartigen Auslegung möglich, eine Anzahl von Stellmotoren hintereinander mit einer einzigen Steuereinrichtung anzuordnen. Auf diese Weise werden bei zwei vollständigen Einheiten beträchtliche Ersparnisse erzielt, da nur eine einzige Ausgangswelle vorhanden ist und zur Verbindung der getrennten Einheiten kein mechanisches Gestänge erforderlich ist. Bei der Ausführungsform nach F i g. 5 sind zwei identisch aufgebaute Stellmotoren 13 und 15 vorgesehen. Das Gußteil 14 ist so abgeändert, daß die Schubstange 60 des hinteren Stellmotors in das Gehäuse das Stellmotors 13 eindringen kann. Die beiden Schubstangen 60 und 62 stehen in Berührung, wobei jede Schubstange von ihrer jeweiligen Erregerspule 64 bzw. 66 betätigt wird. Die gleichzeitige Betätigung beider Erregerspulen bewirkt eine beträchtliche Erhö-

hung der von der Schubstange 62 auf das Rollengestänge 38 und schließlich auf die Ausgangswelle 30 ausgeübten Kraft.

Wie in F i g. 5 gestrichelt dargestellt, ist das Konzept der Reihenanordnung von Stellmotoren zur Erhöhung der Betätigungskraft nicht auf zwei Motoren beschränkt. Es können drei, vier oder mehr Stellmotoren hintereinander angeordnet werden zur Erzielung eines gewünschten Kraftausgangs, der auf das Rollenglied 38 ausgeübt wird. Bei Verwendung von mehr als einem Stellmotor muß die Torsionsfeder 42 auf einen Wert vorgespannt werden, der zum Rückholen der Schubstangen in ihre Ausgangslagen ausreicht, wenn die Erregerspulen stromlos sind.

In F i g. 6 und 7 ist eine zweite Ausführungsform der Steuereinrichtung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist eine Steuereinrichtung 70 mit einer Ausgangswelle 72 versehen, die in Lagern 74 eines Gehäuses 76 gelagert ist. Die Welle wird durch einen Gabelbügel 78 und ein zentrales Rollenglied 80 gedreht, wenn sie von einer Schubstange 82 getroffen wird, die bei Bedarf eine Endkappe 84 aufweisen kann. Bei dieser Ausführungsform ist anstelle der Torsionsfeder eine Plattform- und Schraubenfeder-Anordnung verwendet. Eine Plattform 86 wird von mehreren Schraubenfedern 88 elastisch getragen, vorzugsweise durch eine Feder an jeder Ecke der Plattform. Senkrecht von der Plattform 86 erstrecken sich zwei Berührungsblöcke 90, die an äußeren Rollengliedern 81 und 83 an der der Schubstange 82 gegenüberliegenden Seite aufliegen. Wenn sich die Schubstange 82 nach links bewegt, wird die Ausgangswelle 72 durch die Bewegung des

ίο Rollenglieds 80 gedreht, wodurch die Vorspannung der Schraubenfedern 88 überwunden wird. Wenn die Erregerspulen stromlos sind, kehrt die federbelastete Plattform 86 die Bewegung der Ausgangswelle um und führt die Schubstange in ihre Ausgangsstellung zurück.

In sonstiger Hinsicht ist die zweite Ausführungsform mit der ersten Ausführungsform identisch und kann insbesondere mit einem oder mehreren Stellmotoren verwendet werden, je nach Bedarf für eine besondere Anwendung. Wenn eine Anzahl von Stellmotoren hintereinander angeordnet ist, müssen die Schraubenfedern zur Erzeugung einer ausreichenden Rückstellkraft stärker sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Betätigungsvorrichtung mit einem elektromagnetischen Stellmotor und einer mechanischen Steuereinrichtung, die durch Federkraft in eine erste Stellung gebracht ist, wobei der Stellmotor ein Gehäuse aufweist, an dessen einem Ende die Steuereinrichtung angeordnet ist, wobei der Anker des Stellmotors koaxial zur Erregerspule beweglich gelagert ist und die Steuereinrichtung aus der ersten Stellung bei stromdurchflossener Erregerspule herausbewegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (24) an einer Schubstange (62) befestigt ist, die einerseits die elektromagnetische Kraft auf die Steuereinrichtung (10) überträgt, andererseits aber über eine öffnung im Gehäuse (i4) an der der Steuereinrichtung (10) abgewandten Seite durch einen weiteren hier anzubauenden Stellmotor (15) beeinflußt werden kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubstangen (62, 60) des Stellmotors bzw. der Stellmotoren in Kugelbuchsen (26) gelagert sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (24) mit dem Stator (16) einen kegelförmigen Luftspalt bildet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Einrichtung (50) zum Erfassen der Stellung der Ausgangswelle (30) der Dreheinrichtung (36,78).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft (42,44, 86,88) einstellbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft aus mehreren Schraubfedern (88) gewonnen wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubfedern (88) über eine Plattform (86) auf die Dreheinrichtung (78) wirken.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreheinrichtungen einen Gabelbügel aufweisen (38), der mit einem Ende an der Ausgangswelle befestigt ist, sowie eine Rolle, die an dem anderen Ende des Gabelbügels befestigt und in dem Bewegungsbereich der Stange angeordnet ist, wodurch eine Bewegung der Stange die Rolle und den Gabelbügel bewegt, um die Ausgangswelle zu bewegen.