EP-4211780-B1 - SERVO DRIVE HAVING AN ELECTRIC MOTOR AND AN ELECTROMAGNET ARRANGED MOVABLY ON THE ROTOR OF THE ELECTRIC MOTOR TO APPLY A HOLDING TORQUE WITH CONTACT VIA A REMANENT MAGNETIC FIELD

Inventors

• HUBER, WOLFGANG

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20210722

Claims (10)

1. Actuator for a flap or for a valve for adjusting a gaseous or fluid volume flow, wherein the actuator has a housing, an electric motor (MO) accommodated therein, a downstream reduction gear (G) and, as a take-off, a actuating element with an actuator connection for the flap or the valve, wherein the electric motor (MO) has a stator (ST) and a rotor (RO) circumferential to an axis of rotation (A) of the electric motor (MO), characterised in that , - the rotor (RO) is a rotor (RO) lying coaxially outside in relation to the axis of rotation (A) of the electric motor (MO), - the actuator has an electromagnet (E1, E2) arranged adjacent to an outer side (RA, AA) of the rotor (RO), wherein this (E1, E2) comprises a coil arrangement (L) with a magnetic coil core (K), - the actuator has an electrical circuit arrangement for activation of the electromagnet (E1, E2), - by means of the circuit arrangement a first brief current pulse is able to be injected into the coil arrangement (L), so that subsequently a remanent magnetic field remains in the coil core (K), in order, in a holding position of the actuator, while a mechanical pre-tensioning is set up, to apply a holding torque with contact (M FH ) to the outer side (RA, AA) of the rotor (RO), and - by means of the circuit arrangement a second brief current pulse is able to be injected into the coil arrangement (L), in order subsequently essentially to extinguish the remanent magnetic field still present in the coil core (K) for releasing the holding torque (M FH ) with contact, while an air gap (LS) between the electromagnet (E1, E2) and the outer side (RA, AA) of the rotor (RO) is formed, - the electromagnet (E1, E2) is arranged movably adjacent to the outer side (RA, AA) of the rotor (RO) in such a way that the electromagnet (E1, E2), while the mechanical pretensioning in the holding position for applying the holding torque (M FH ) is formed, rests against the outer side of the rotor, - the first brief current pulse is able to be injected into the coil arrangement (L) in such a way that the electromagnet (E1, E2) closes the air gap (LS) by means of magnetic force (F) towards the holding position and, through the remanent magnetic field remaining in the coil core (K), while the holding torque (M FH ) to the outer side (RA, AA) of the rotor (RO) is formed, sticks magnetically, and - the second brief current pulse is able to be injected into the coil arrangement (L) in such a way that that a remanent magnetic field still present in the coil core (K) is essentially extinguished, wherein the electromagnet (E1, E2) moves away automatically, while the air gap (LS) is formed, from the outer side of the rotor towards the free running position and remains there.
2. Actuator according to claim 1, wherein the electric motor (MO) is arranged on a base plate (GP) in the housing of the actuator, wherein the electromagnet (E1) is arranged movably on the base plate (GP) in the housing and has a magnetic working end (W), wherein the electromagnet (E1) is aligned in such a way on the base plate (GP) that the working end (W) of the electromagnet (E1), in the free running position, lies against a radial outer side (RA) of the rotor (RO) while the air gap (LS) is formed.
3. Actuator according to claim 2, wherein the electromagnet (E1) is arranged by means of an elastic holding element (BS) for setting up the mechanical pretensioning on the bracket (HA) of the housing or on the base plate (GP) in the housing.
4. Actuator according to one of the preceding claims, wherein the coil core (K) is a soft magnetic coil core (K), wherein a permanent magnet (PM), which creates a permanent magnetic field in the coil core (K), is arranged in the coil core (K), wherein the permanent magnetic field, on injection of the second brief current pulse into the coil arrangement (L) and after re-establishment of the air gap (LS) to a working end (W) of the electromagnet (E1, E2), is essentially no longer effective and is thus extinguished.
5. Actuator according to one of the preceding claims, wherein a part (E1, E2) adhering to the outer side (RA, AA) of the rotor (RO) in the holding position comprises a brake coating (B), wherein the brake coating (B) has a coefficient of friction (µ H ) for the pairing of brake coating and outer side of the rotor of at least 0.5, in particular of at least 0.8.
6. Actuator according to one of the preceding claims, wherein the rotor (RO), on its outer side (RA, AA), has toothing (VZ) running around it tangentially with regard to an axis of rotation (A) of the electric motor (MO) with alternating teeth (ZA) and tooth gaps (ZL), wherein the tooth gaps (ZL) have a tangential tooth gap dimension and wherein a part (E1, E2, B) adhering to the outer side (RA, AA) of the rotor (RO) in the holding position, has a maximum tangential dimension (T), so that this latches in the holding position with one of the tooth gaps (ZL) of the toothing (VZ).
7. Actuator according to one of claims 1 to 6, - wherein the actuator has a control unit for receiving a control signal and for corresponding activation of the electric motor (MO) for moving the actuating element from a predetermined first actuation position to a predetermined second actuation position, - wherein the control unit is configured to activate the electrical circuit arrangement for activating the electromagnet (E1, E2) in such a way that the electromagnet (E1, E2), before or with the activation of the electric motor (MO) for moving the actuating element from the first actuation position to the second actuation position, switches from the holding position into the free running position, and - wherein the control unit is configured to activate the electrical circuit arrangement in such a way that the electromagnet (E1, E2), as or after it reaches the second actuation position of the actuating element, switches from the free running position into the holding position.
8. Actuator according to one of claims 1 to 6, - wherein the actuator has a control unit for activation of the electric motor (MO) when the power supply of the actuator is switched on or when a switch-on signal to drive the actuating element from a safe idle position to an actuation position is received, - wherein the actuator has a return spring (RF) for providing a return torque acting on the actuating element for automatically moving the actuating element into the safe idle position, in particular when the power supply for the actuator is lost, wherein the return element brings about a rotor return torque (M FR ) at the electric motor (MO) via the reduction gear (G), - wherein the holding torque (M FH ) applied by means of the electromagnet (E1, E2) to the rotor (RO) in the holding position is greater that the rotor return torque (M FR ) acting on the rotor (RO), in particular at least 1.5 times to 3 times as great, and - wherein the control unit is configured to activate the electrical circuit arrangement on receipt of a switch-off signal in such a way that the electromagnet (E1, E2) switches from the holding position into the free running position, so that the actuating element is moved back automatically into the safe idle position, or - wherein the electrical circuit arrangement is configured in such a way that, when the power supply is lost, the electromagnet (E1, E2) switches from the holding position into free running position, so that the actuating element is moved back automatically into the safe idle position.
9. Actuator according to one of claims 1 to 6, - wherein the actuator has a control unit for activation of the electric motor (MO) when the power supply of the actuator is switched on or when a switch-on signal for moving the actuating element from a safe idle position to an actuation position is received, - wherein the actuator has a return spring (RF) for providing a return torque acting on the actuating element for automatically moving the actuating element into the safe idle position, in particular when the power supply for the actuator is lost, - wherein the flap connected to the actuator connection, or the valve connected to the actuator connection as well as the return spring (RF) exert an overall torque on the actuating element, wherein the overall torque brings about an overall rotor torque at the rotor (RO) via the reduction gear (G), - wherein the holding torque (M FH ) applied by means of the electromagnet (E1, E2) to the rotor (RO) of the electric motor (MO) in the holding position is greater than the overall rotor torque acting on the rotor (RO), in particular at least 1.5 times to 3 times as great, and - wherein the control unit is configured to activate the electrical circuit arrangement on receipt of a switch-off signal in such a way that the electromagnet (E1, E2) switches from the holding position into the free running position, so that the actuating element is moved back automatically into the safe idle position, or - wherein the electrical circuit arrangement is configured in such a way that the electromagnet (E1, E2) switches from the holding position into the free running position when the power supply is lost, so that the actuating element is moved back automatically into the safe idle position.
10. Actuator according to one of the preceding claims, wherein the coil arrangement of the electrical circuit arrangement has an electrical coil (L), wherein the electrical coil (L) is connected in series with a capacitor (C), wherein the series circuit is connected by a first end to a common reverence potential, wherein a second end is able to be switched via a switching means (WS) of the electrical circuit arrangement to a supply voltage or to the common reference potential, wherein the inductance value of the electrical coil (L) and the capacitance value of the capacitor (C) are dimensioned in such a way that, when the second end of the series circuit is switched to the supply voltage, the first brief current pulse is able to be injected into the electrical coil (L) and, when the second end of the series circuit is switched to the common reference potential, the second brief current pulse is able to be injected into the electrical coil (L) with the reversed current direction.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb für eine Klappe oder für ein Ventil zum Einstellen eines gasförmigen oder flüssigen Volumenstroms, insbesondere für HLK-Anwendungen für Heizung, Lüftung oder Kühlung. Der Stellantrieb weist ein Gehäuse und darin aufgenommen einen Elektromotor, ein nachgeschaltetes Getriebe, insbesondere Reduziergetriebe, und als Abtrieb ein Stellelement mit einem Stellanschluss für die Klappe oder für das Ventil auf. Zudem umfasst der Elektromotor einen Stator sowie einen zu einer Drehachse des Elektromotors umlaufenden Rotor. Der Rotor ist insbesondere magnetisch ausgeführt. Mit "magnetisch" ist hier gemeint, dass testweise ein Permanentmagnet am Rotor des Elektromagneten haften bleiben würde. Aus der EP 1 258 969 A1 ist eine Antriebsvorrichtung zur Betätigung eines Stellglieds bekannt, die einen Elektromotor, eine Rückstellfeder und eine Fliehkraftbremse aufweist. Das Stellglied ist in einer ersten Bewegungsrichtung durch den von einer Steuer- oder Regeleinrichtung aktivierten Elektromotor und in einer zweiten Bewegungsrichtung durch die Rückstellfeder betätigbar. Ein Bremskörper der Fliehkraftbremse ist direkt am Läufer des Elektromotors angeordnet. Die Fliehkraftbremse ist derart auslegbar, dass eine Bremswirkung nur dann erzeugt wird, wenn der Stellantrieb durch die Rückstellfeder angetrieben wird. Durch die Fliehkraftbremse werden die erreichbaren Drehzahlen so weit begrenzt, dass keine störenden Schwingungen und Geräusche auftreten. Aus der US 3 423 661 A ist ein elektromotorisch angetriebenes Stellglied für ein Ventil bekannt, das eine auf Drehmoment ansprechende und Trägheitsenergie absorbierende Überlaststeuerung enthält, die einen Überlastzustand des Ventils erfasst und den elektrischen Antriebsmotor sofort abschaltet und eine Bremse anlegt. Die Energieabsorption der Vorrichtung bei Drehmomentüberlastung wird durch ein Getriebe bewirkt, das den elektrischen Antriebsmotor und die angetriebene Welle der Vorrichtung miteinander verbindet. Dieses Getriebe enthält ein Drehmomentüberlastungsreaktionselement, das im Falle einer Drehmomentüberlastung gegen eine Federvorspannung beweglich ist, um einen Schalter zu betätigen und dadurch den Motor stromlos zu machen und die Bremse anzuziehen. Aus der EP 1 655 259 A1 ist eine Aufzugshebevorrichtung bekannt, die aufweist ein stationäres Rahmenelement, eine Hauptwelle, ein an dem stationären Rahmenelement angeordnetes stationäres Element, ein drehbares Rahmenelement, das auf der Hauptwelle gelagert ist und sich in einer radialen Richtung gegenüber dem stationären Rahmenelement erstreckt, ein Drehelement, das an dem drehbaren Rahmenelement gegenüber dem stationären Element angeordnet ist, eine Bremseinheit mit einem Bremsabschnitt, der sich durch eine Öffnung in dem stationären Rahmenelement erstreckt, und eine Seilscheibe, die an dem drehbaren Rahmenelement zur Drehung damit angeordnet ist. Aus der EP 1 642 858 A2 ist ein Aufzugtraktor mit einem in einer Tragstruktur befestigten inneren Stator, mit einem übergestülpten äußeren Rotor und mit einer rotierenden Treibscheibe bekannt, die mit dem äußeren Rotor verbunden und an diesem befestigt ist. Der Aufzugtraktor umfasst weiter ein Bremsgetriebe, das mit der Bremsscheibe koordiniert ist, und einen Encoder, der die Geschwindigkeit und die relative Position der Magnetfelder von Stator und Rotor messen kann. Aus der DE 15 38 927 Al ist ein Elektromotor mit einer Bremseinrichtung bekannt, bei dem der Läufer des Elektromotors als Außenläufer ausgebildet ist und gleichzeitig als Bremstrommel dient. Der Außenläufer ist im Bereich des angreifenden Brembelags mit einer Aluminiumschicht oder von einem Ring aus Material mit guten Reibeigenschaften umgeben. Aus der US 2020/0224742 Al ist eine Rotationskupplungsvorrichtung mit einem Anker bekannt, der so konfiguriert ist, dass er an eine Welle gekoppelt werden kann, um sich mit der Welle um eine Achse zu drehen, aber relativ zur Welle axial beweglich ist. Eine Elektromagnetanordnung ist auf einer Seite des Ankers angeordnet und gegen Drehung fixiert. Auf der gegenüberliegenden Seite des Ankers ist ein Kragen angeordnet, der so gestaltet, dass er sich mit der Welle dreht, aber gegen eine axiale Bewegung relativ zur Welle fixiert ist und zudem einen Permanentmagneten aufweist. Wenn ein Strom mit einer ersten Polarität an die Elektromagnetanordnung angelegt wird, bewegt sich der Anker in eine axiale Richtung in Eingriff mit einem Element der Kupplungsvorrichtung, um ein Drehmoment zwischen dem Element und dem Anker zu übertragen. Der Permanentmagnet drückt den Anker in die entgegengesetzte axiale Richtung, um den Anker von dem Element zu lösen, wenn der Elektromagnetanordnung kein Strom zugeführt wird. Aus der US 10 454 341 B1 ist ein System mit einer drehbaren Scheibe mit einer Vielzahl von ferromagnetischen Elementen bekannt, die in einer radialen Anordnung auf einer Oberfläche der Scheibe angeordnet sind. Das System umfasst mindestens einen zur Schei