EP4710026A1 - Stellantrieb mit elektromotor - Google Patents

Stellantrieb mit elektromotor

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EP4710026A1
EP4710026A1 EP24725142.4A EP24725142A EP4710026A1 EP 4710026 A1 EP4710026 A1 EP 4710026A1 EP 24725142 A EP24725142 A EP 24725142A EP 4710026 A1 EP4710026 A1 EP 4710026A1
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EP
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spring
designed
output
force
actuator
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Pending
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EP24725142.4A
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Inventor
Rudolf MORLANG
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Auma Riester GmbH and Co KG
Original Assignee
Auma Riester GmbH and Co KG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb (1) der Automatisierungstechnik eingerichtet zum Betätigen einer Armatur wie beispielsweise ein Ventil, wobei der Stellantrieb eine Kraftmessvorrichtung (70) aufweist, welche Kraftmessvorrichtung dazu eingerichtet ist, eine die Bewegung eines Abtriebs bewirkende mechanische Vortriebskraft aus einer Auslenkung einer federnd gelagerten Vorrichtung aus einer Ruheposition zu messen, wobei die elektronische Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, aus Kraftmesswerten bzgl. der Abtriebsbewegung sowie aus von Motorstrom und/oder Motorspannung hergeleiteten Messwerten einer mechanischen Motorkraft einen Antriebswirkungsgrad des Stellantriebs herzuleiten.

Description

Stellantrieb mit Elektromotor
Die Erfindung betri f ft einen Stellantrieb der Automatisierungs technik mit einem Elektromotor zwecks Betätigung einer Armatur . Solche Stellantriebe werden auch in der Automatisierungstechnik dazu eingesetzt , Armaturen wie beispielsweise Ventile zu betätigen . Beispielsweise zeigt die DE102019134805A1 einen Stellantrieb, bei welchem zur Bestimmung einer Motortemperatur ein Motorstrom herangezogen wird .
Bei Stellantrieben mit Elektromotor wird der Antriebsstrang eines Stellantriebs im Laufe der Zeit stark belastet , so dass Abnutzungserscheinungen den Wirkungsgrad des Stellantriebs verschlechtern .
Aufgabe der Erfindung ist es einen Stellantrieb vorzuschlagen, bei welchem ein Wirkungsgrad des Stellantriebs messbar ist .
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Stellantrieb gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 .
Ein erfindungsgemäßer Stellantrieb der Automatisierungstechnik eingerichtet zum Betätigen einer Armatur wie beispielsweise ein Ventil umfas st :
Ein Gehäuse mit einer Gehäusewandung;
Einen Elektromotor ;
Eine elektronische Betriebsschaltung zum Betreiben des Elektromotors ;
Einen Abtrieb mit einer Abtriebsachse oder Abtriebswelle , welcher Abtrieb dazu eingerichtet ist mittels einer Axialbewegung oder einer Drehbewegung der Abtriebsachse oder Abtriebswelle eine Armatur zu betätigen;
Ein Getriebe eingerichtet zum Übertragen einer Kraft oder eines Drehmoments auf den Abtrieb, wobei das Getriebe mehrere Verzahnungsteile wie beispielsweise Zahnräder oder Schnecken aufweist , welche durch Verzahnungsteillager wie beispielsweise Getriebeachsen oder Getriebewellen gelagert sind; wobei Elektromotor, Getriebe und elektronische Betriebsschaltung im Gehäuse angeordnet sind, wobei der Elektromotor dazu eingerichtet ist , den Abtrieb mittels des Getriebes linear oder rotatorisch zu bewegen, wobei der Stellantrieb eine mittels einer Federvorrichtung im Gehäuse federnd gelagerte Vorrichtung aufweist , welche federnd gelagerte Vorrichtung durch den Abtrieb oder durch ein Verzahnungsteil oder durch ein Verzahnungsteillager ausgebildet ist , wobei der Stellantrieb eine Kraftmessvorrichtung aufweist , welche Kraftmessvorrichtung dazu eingerichtet ist , eine die Bewegung des Abtriebs bewirkende mechanische Vortriebskraft aus einer Auslenkung der federnd gelagerten Vorrichtung aus einer Ruheposition zu messen, wobei die elektronische Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist , aus Kraftmesswerten bzgl . der Antriebsbewegung sowie aus von Motorstrom und/oder Motorspannung hergeleiteten Messwerten einer mechanischen Motorkraft einen Antriebswirkungsgrad des Stellantriebs herzuleiten . Durch Vergleich einer für eine Bewegung des Abtriebs notwendigen Vortriebskraft , welche unabhängig ist von einem Wirkungsgrad des Stellantriebs , und einer durch den Elektromotor auf gewendeten bzw . erzeugten Motorkraft kann auf einen Antriebswirkungsgrad des Stellantriebs rückgeschlossen werden . Aus dem gemessenen Antriebswirkungsgrad, insbesondere aus einer Veränderung des Antriebswirkungsgrads über die Zeit lässt sich ein Verschleiß beim Stellantrieb feststellen . Bei festgestelltem Verschleiß bzw . einer langfristigen Wirkungsgradänderung kann die elektronische Betriebsschaltung beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine Warnmeldung abzugeben . Auf diese Weise kann beispielsweise ein Anlagenbetreiber einen betrof fenen Stellantrieb austauschen, wenn bei einer Anlage eine Wartung ohne größere Umstände einrichtbar ist . So kann eine teure Notabschaltung bzw . ein Fehlbetrieb der Anlage vermieden werden .
In einer Ausgestaltung ist die Kraftmessvorrichtung dazu eingerichtet , eine Auslenkung der federnd gelagerten Vorrichtung aus der Ruheposition gegen die Federvorrichtung in ein auslenkungsabhängiges Messsignal einer elektronischen Messgröße wie beispielsweise Induktivität , Kapazität , Stromstärke oder Spannung zu wandeln, wobei die Kraftmessvorrichtung oder die elektronische Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist , aus dem Messsignal einen Messwert für die Vortriebskraft abzuleiten bzw . zu berechnen .
In einer Ausgestaltung weist die Kraftmessvorrichtung einen Sensor zwecks Erzeugung des Messignals mit beispielsweise einer Spule , einem Kondensator bzw . einer Kondensatorplatte oder einer Photodiode auf , wobei die Kraftmessvorrichtung einen Abgrei farm aufweist , welcher dazu eingerichtet ist , durch eine axiale oder rotatorische Bewegung der federnd gelagerten Vorrichtung mitbewegt zu werden und dadurch eine Veränderung des Messsignals der elektronischen Messgröße zu bewirken .
In einer Ausgestaltung weist die Kraftmessvorrichtung eine Hebelvorrichtung mit einem Hebellager sowie mit bzgl . des Hebellagers einem ersten Ende und einem gegenüberliegenden zweiten Ende auf , wobei der Abgrei farm das erste Ende ausbildet , wobei das zweite Ende dazu eingerichtet ist , positionsabhängig einen Messwert der elektronischen Messgröße zu beeinflussen, wobei eine Hebel länge des ersten Endes insbesondere kleiner ist als eine Hebellänge des zweiten Endes .
Durch eine kleinere Hebellänge des ersten Endes lässt sich eine kleine Auslenkung der federnd gelagerten Vorrichtung in eine größere Veränderung des Messsignals übersetzen .
In einer Ausgestaltung weist der Sensor eine Stirnfläche auf , wobei das zweite Ende dazu eingerichtet ist , die Stirnfläche zumindest teilweise zu bedecken, wobei ein Bedeckungsanteil abhängig von der Vortriebskraft gegen die Federvorrichtung ist , wobei der Sensor eine Spule aufweist , wobei das zweite Ende dauermagnetisch oder elektrisch leitfähig ist , wobei das zweite Ende dazu eingerichtet ist , eine Induktivität der Spule und des zweiten Endes zu beeinflussen, oder wobei der Sensor eine Kondensatorplatte aufweist , wobei das zweite Ende elektrisch leitfähig ist , wobei das zweite Ende dazu eingerichtet ist , eine Kapazität der Kondensatorplatte und des zweiten Endes zu beeinflussen, oder wobei der Sensor eine Photodiode aufweist , wobei das zweite Ende dazu eingerichtet ist , einen Lichteinfall beispielsweise durch eine LED abzuschwächen oder zu blockieren .
In einer Ausgestaltung ist das zweite Ende scheibenförmig ausgebildet .
In einer Ausgestaltung nehmen Messwerte des Messsignals einen Wertebereich mit einem Maximalwert und einem Minimalwert ein, wobei ein Messwert des Messsignals in kraftfreiem Zustand des Abtriebs einen Wert annimmt , welcher weniger als 30% , und insbesondere weniger als 25% , und bevorzugt weniger als 20% einer Di f ferenz zwischen Maximalwert und Minimalwert von einem Mittelwert des Wertebereichs entfernt ist .
Auf diese Weise kann eine Auslenkung der federnd gelagerten Vorrichtung in beide Richtungen mit ausreichend Erfassungsspielraum erfasst werden .
In einer Ausgestaltung weist die Federvorrichtung zumindest ein erstes Federelement und zumindest ein zweites Federelement auf , wobei das zumindest eine erste Federelement dazu eingerichtet ist , eine Kraft gegen eine Auslenkung des Abtriebs aus der Ruheposition in eine erste Richtung zu bewirken, wobei das zumindest eine zweite Federelement dazu eingerichtet ist , eine Kraft gegen eine Auslenkung des Abtriebs aus der Ruheposition in eine zweite , der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung zu bewirken .
In einer Ausgestaltung ist die federnd gelagerte Vorrichtung durch den Abtrieb ausgebildet , wobei eine Querschnittsebene des ersten Federelements und eine Querschnittsebene des zweiten Federelements einen Abstand kleiner als 30% , und insbesondere kleiner als 25% , und bevorzugt kleiner als 20% eines Durchmessers des ersten Federelements oder des zweiten Federelements ist .
Auf diese Weise lässt sich die federnde Lagerung der federn gelagerten Vorrichtung kompakt ausbilden .
In einer Ausgestaltung die Abtriebsachse als Gewindespindel ausgebildet ist , wobei die Gewindespindel rotatorisch fixiert ist , wobei der Abtrieb eine Spindelmutter aufweist , wobei der Elektromotor dazu eingerichtet ist , die Spindelmutter mittels des Getriebes rotatorisch anzutreiben und dadurch die Gewindespindel axial zu bewegen, wobei der Abtrieb im Gehäuse in einer axialen Richtung der Gewindespindel mittels der Federvorrichtung federnd gelagert ist .
In einer Ausgestaltung ist die Spindelmutter radial mittels eines Wäl zlagers gelagert , welches Wäl zlager zumindest teilweise in einer zylindrischen Vertiefung der Gehäusewandung angeordnet ist , wobei die zylindrische Vertiefung einen Anschlag für das Wäl zlager gegen eine Bewegung in Richtung einer dem Gehäuse abgewandten Seite der zylindrischen Vertiefung bereitstellt , wobei das Wäl zlager bei Abtrieb in Ruheposition den Anschlag berührt und/oder gegen den Anschlag vorgespannt ist , wobei das zumindest eine erste Federelement und das zumindest eine zweite Federelement auf einer dem Gehäuse zugewandten Seite des Wäl zlagers gegen das Wäl zlager wirken .
Dies trägt zu einem kompakten Aufbau des Stellantriebs bei .
In einer Ausgestaltung weist der Stellantrieb ein im Gehäuse befestigtes Federblech mit einer zentralen Öf fnung auf , durch welche Öf fnung die Spindelmutter geführt ist , wobei die Spindelmutter auf einer dem Gehäuse abgewandten Seite des Federblechs eine radiale Aus formung, insbesondere einen Bund, aufweist , welche dazu eingerichtet ist , direkt oder indirekt al s Anschlag gegen das Federblech zu wirken, wobei das Federblech als eines des zumindest einen ersten Federelements ausgebildet ist .
Dies trägt zu einem kompakten Aufbau des Stellantriebs bei .
In einer Ausgestaltung ist das Federblech außerhalb der zylindrischen Vertiefung angeordnet , wobei die radiale Aus formung über das Wäl zlager gegen das Federblech wirkt .
In einer Ausgestaltung weist das Getriebe ein erstes Verzahnungselement wie beispielsweise ein Zahnrad auf , welches rotativ fest mit der Spindelmutter verbunden ist , wobei die Federvorrichtung mindestens eine Tellerfeder aufweist , welche mindestens eine Tellerfeder die Spindelmutter umgrei ft und als mindestens eines des zumindest einen zweiten Federelements ausgebildet ist , wobei die mindestens eine Tellerfeder zwischen dem ersten
Verzahnungselement und dem Wäl zlager angeordnet und eingespannt ist . Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben .
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen beispielhaften erfindungsgemäßen Stellantrieb.
Fig. 2 zeigt eine Ausschnittsvergrößerung des in Fig. 1 gezeigten Stellantriebs.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen beispielhaften erfindungsgemäßen Stellantrieb.
Fig. 4 a) und b) skizzieren Sensoren eines erfindungsgemäßen Stellantriebs .
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen beispielhaften erfindungsgemäßen Stellantrieb 1 umfassend ein Gehäuse 10 mit einer Gehäusewandung 11, wobei im Gehäuse des Stellantriebs ein Elektromotor 20, eine elektronische Betriebsschaltung 30 zum Betreiben des Elektromotors, ein Getriebe 50 und ein Abtrieb 40 angeordnet sind. Der Abtrieb weist eine Abtriebsachse 41 oder Abtriebswelle 42 auf, wobei der Abtrieb dazu eingerichtet, ist mittels einer Axialbewegung oder einer Drehbewegung der Abtriebsachse oder Abtriebswelle eine Armatur zu betätigen. Das Getriebe 50 ist dazu eingerichtet, eine Kraft oder ein Drehmoment vom Elektromotor auf den Abtrieb zu übertragen und weist Verzahnungsteile 51 wie beispielsweise Zahnräder 51.1 oder Schnecken 51.2 auf, welche auf Verzahnungsteillagern 52 wie beispielsweise Getriebeachsen 52.1 oder Getriebewellen 52.2 gelagert sind. Der Elektromotor ist dazu eingerichtet, den Abtrieb axial oder rotatorisch zu bewegen. Der Stellantrieb weist eine federnd gelagerte Vorrichtung 61 auf, welche mittels einer Federvorrichtung 60 federnd gelagert ist. Die federnd gelagerte Vorrichtung ist wie hier abgebi ldet durch den Abtrieb oder alternativ durch eines der Verzahnungsteile oder durch eines der Verzahnungsteillager ausgebildet . Erfindungsgemäß weist der Stellantrieb eine Kraftmessvorrichtung 70 auf , welche Kraftmessvorrichtung dazu eingerichtet ist , eine die Bewegung des Abtriebs bewirkende mechanische Kraft aus einer Auslenkung der federnd gelagerten Vorrichtung aus einer Ruheposition zu messen, wobei die elektronische Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist , aus Kraftmesswerten bzgl . der Abtriebsbewegung sowie aus von Motorstrom und/oder Motorspannung hergeleiteten Messwerten einer mechanischen Motorkraft einen Antriebswirkungsgrad des Stellantriebs herzuleiten .
Durch Vergleich einer für eine Bewegung des Abtriebs notwendigen Vortriebskraft , welche unabhängig ist von einem Wirkungsgrad des Stellantriebs , und einer durch den Elektromotor auf gewendeten bzw . erzeugten Kraft kann auf einen Antriebswirkungsgrad des Stellantriebs rückgeschlossen werden . Aus dem gemessenen Antriebswirkungsgrad, insbesondere aus einer Veränderung des Antriebswirkungsgrads über die Zeit lässt sich ein Verschleiß beim Stellantrieb feststellen . Bei festgestelltem Verschleiß bzw . einer langfristigen Wirkungsgradänderung kann die elektronische Betriebsschaltung beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine Warnmeldung abzugeben . Auf diese Weise kann beispielsweise ein Anlagenbetreiber einen betrof fenen Stellantrieb austauschen, wenn bei einer Anlage eine Wartung ohne größere Umstände einrichtbar ist . So kann eine teure Notabschaltung bzw . ein Fehlbetrieb der Anlage vermieden werden .
In einer Ausgestaltung ist die Kraftmessvorrichtung 70 eines beispielhaften erfindungsgemäßen Stellantriebs dazu eingerichtet , eine Auslenkung der federnd gelagerten Vorrichtung 61 aus der Ruheposition gegen die Federvorrichtung 60 in ein auslenkungsabhängiges Messsignal einer elektronischen Messgröße wie beispielsweise Induktivität, Kapazität, Stromstärke oder Spannung zu wandeln, wobei die Kraftmessvorrichtung oder die elektronische Betriebsschaltung 30 dazu eingerichtet ist, aus dem Messsignal einen Messwert für die Kraft abzuleiten bzw. zu berechnen.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus dem in Fig. 1 gezeigten Querschnitt des Stellantriebs 1. Der Abtrieb 40 des Stellantriebs 1 kann wie hier gezeigt eine spindelförmige Abtriebsachse 41 mit einer Spindelmutter 43 umfassen, welche Spindelmutter über das Getriebe mittels eines Zahnrads 51.1 angetrieben wird, um die Abtriebsachse axial zu bewegen. Die Kraftmessvorrichtung kann wie hier dargestellt über eine Hebelvorrichtung 72 mit einem Abgreifarm 72.11 die Axialbewegung der Abtriebsachse beispielsweise über die Spindelmutter 43 abgreifen.
Die Kraftmessvorrichtung wie hier beispielhaft gezeigt weist die Hebelvorrichtung 72 mit einem Hebellager 72.01 sowie mit bzgl. des Hebellagers einem ersten Ende 72.1 und einem insbesondere gegenüberliegenden zweiten Ende 72.2 auf, wobei der Abgreifarm das erste Ende ausbildet, wobei das zweite Ende dazu eingerichtet ist, positionsabhängig einen Messwert der elektronischen Messgröße zu beeinflussen, wobei eine Hebellänge des ersten Endes insbesondere kleiner ist als eine Hebellänge des zweiten Endes.
Ein Sensor 70.1 der Kraftmessvorrichtung ist dazu eingerichtet, ein mit der Vortriebskraft korrespondierendes Messsignal zu erzeugen. Dabei kann ein Sensorelement 71 des Sensors eine Stirnfläche 71.1 aufweisen, wobei das zweite Ende 72.2 dazu eingerichtet ist, die Stirnfläche zumindest teilweise zu bedecken, wobei ein Bedeckungsanteil abhängig von der Vortriebskraft gegen die Federvorrichtung ist, und das Messsignal beeinflusst .
Messwerte des Messsignals nehmen einen Wertebereich mit einem Maximalwert und einem Minimalwert ein, wobei in einer Ausgestaltung ein Messwert des Messsignals in kraftfreiem Zustand des Abtriebs einen Wert einnimmt , welcher weniger als 30% , und insbesondere weniger als 25% , und bevorzugt weniger als 20% einer Di f ferenz zwischen Maximalwert und Minimalwert von einem Mittelwert des Wertebereichs entfernt ist . Auf diese Weise kann eine Auslenkung der federnd gelagerten Vorrichtung in beide Richtungen mit ausreichend Erfassungsspielraum erfasst werden .
Die Federvorrichtung 60 kann wie hier gezeigt zumindest ein erstes Federelement 60 . 1 und zumindest ein zweites Federelement 60 . 2 aufweisen, wobei das zumindest eine erste Federelement dazu eingerichtet ist , eine Kraft gegen eine Auslenkung des Abtriebs 40 aus der Ruheposition in eine erste Richtung zu bewirken, wobei das zumindest eine zweite Federelement dazu eingerichtet ist , eine Kraft gegen eine Auslenkung des Abtriebs aus der Ruheposition in eine zweite , der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung zu bewirken .
Die Spindelmutter 43 kann wie hier dargestellt radial mittels eines Wäl zlagers 80 gelagert sein, welches Wäl zlager zumindest teilweise in einer zylindrischen Vertiefung 11 . 1 der Gehäusewandung angeordnet ist , wobei die zylindrische Vertiefung einen Anschlag 11 . 11 für das Wäl zlager gegen eine Bewegung in Richtung einer dem Gehäuse abgewandten Seite der zylindrischen Vertiefung bereitstellt , wobei das Wäl zlager bei Abtrieb 40 in Ruheposition den Anschlag berührt und/oder gegen den Anschlag vorgespannt ist , wobei das zumindest eine erste Federelement 60.1 und das zumindest eine zweite Federelement 60.2 auf einer dem Gehäuse zugewandten Seite des Wälzlagers gegen das Wälzlager wirken, wobei das Wälzlager 80 in einer zylindrischen Vertiefung 11.1 der Gehäusewandung 11 angeordnet ist. Die zylindrische Vertiefung bietet einen Anschlag 11.11 für das Wälzlager. Ein im Gehäuse befestigtes Federblech 90 weist eine zentrale Öffnung 91 aufweist, durch welche Öffnung die Spindelmutter 43 geführt ist, wobei die Spindelmutter auf einer dem Gehäuse abgewandten Seite des Federblechs eine radiale Ausformung 43.1, insbesondere einen Bund, aufweist, welche dazu eingerichtet ist, direkt oder indirekt als Anschlag gegen das Federblech zu wirken, wobei das Federblech als eines des zumindest einen ersten Federelements 60.1 ausgebildet ist. Das Federblech 90 ist außerhalb der zylindrischen Vertiefung 11.1 angeordnet ist, wobei die radiale Ausformung 43.1 über das Wälzlager 80 gegen das Federblech wirkt. Eines der Verzahnungselemente des Getriebes 50 ist rotativ fest mit der Spindelmutter 43 verbunden, wobei die Federvorrichtung 60 mindestens eine Tellerfeder aufweist, welche mindestens eine Tellerfeder die Spindelmutter umgreift und als mindestens eines des zumindest einen zweiten Federelements 60.2 ausgebildet ist, wobei die mindestens eine Tellerfeder zwischen dem ersten Verzahnungselement und dem Wälzlager angeordnet und eingespannt ist. Auf diese Weise kann die Federvorrichtung 60 kompakt umgesetzt werden.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen beispielhaften Stellantrieb 1, welcher erfindungsgemäß mit einer Kraftmessvorrichtung ausgerüstet werden kann. Der Elektromotor 20 ist dazu eingerichtet, über ein Getriebe 50 mit einer Schnecke 51.2 als Verzahnungsteil 51 einen Abtrieb 40 mit einem Zahnrad 44 anzutreiben, wobei die Schnecke als federnd gelagerte Vorrichtung 61 ausgebildet ist, welche durch eine Federvorrichtung 60 mit einem ersten Federelement 60.1 und einem bzgl. der Schnecke gegenüberliegenden zweiten Federelement 60.2 federnd gelagert und eingespannt ist. Die Schnecke greift dabei in das Zahnrad 44 und wird entsprechend der durch den Elektromotor vermittelten Vortriebskraft gegen die Federvorrichtung ausgelenkt. Erfindungsgemäß kann auch bei diesem Stellantrieb eine Kraftmessvorrichtung eingerichtet werden, welche die Auslenkung der Schnecke gegen die Federvorrichtung erfasst.
In Figs. 4 a) und 4 b) sind Sensorelemente 71 schematisch skizziert. Das Sensorelement kann, wie in Fig. 4 a) dargestellt eine Spule 71.2 aufweisen, wobei das zweite Ende dauermagnetisch und/oder elektrisch leitfähig ist, wobei das zweite Ende dazu eingerichtet ist, eine Induktivität der Spule und des zweiten Endes zu beeinflussen.
Das Sensorelement kann wie in Fig. 4 b) dargestellt eine Kondensatorplatte 71.3 aufweisen, wobei das zweite Ende elektrisch leitfähig ist, wobei das zweite Ende dazu eingerichtet ist, eine Kapazität der Kondensatorplatte und des zweiten Endes zu beeinflussen. Alternativ kann das Sensorelement eine Photodiode 71.4 aufweisen, wobei das zweite Ende dazu eingerichtet ist, einen Lichteinfall beispielsweise erzeugt durch eine LED abzuschwächen oder zu blockieren.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die in Figs. 1, 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiele, Merkmale der Ausführungsbeispiele können, so technisch sinnvoll untereinander ausgetauscht werden.
/Bezugszeichenliste Bezugszeichenliste
Stellantrieb
Gehäuse
Gehäusewandung zylindrische Vertiefung Anschlag
Elektromotor
Elektronische Betriebsschaltung
Abtrieb
Abtriebsachse
Abtriebs welle
Spindelmutter radiale Aus formung
Zahnrad
Getriebe
Verzahnungsteile Zahnrad Schnecke
Verzahnungsteillager Getriebeachse Getriebewelle
Federvorrichtung erstes Federelement zweites Federelement federnd gelagerte Vorrichtung
Kraftmessvorrichtung Sensor
Sensor element Stirnfläche Spule Kondensatorplatte Photodiode
Hebel Vorrichtung Hebellager erstes Ende Abgrei farm zweites Ende
Wäl zlager
Federblech zentrale Öf fnung
/Patentansprüche

Claims

Patentansprüche
1. Stellantrieb (1) der Automatisierungstechnik eingerichtet zum Betätigen einer Armatur wie beispielsweise ein Ventil umfassend :
Ein Gehäuse (10) mit einer Gehäusewandung (11) ;
Einen Elektromotor (20) ;
Eine elektronische Betriebsschaltung (30) zum Betreiben des Elektromotors ;
Einen Abtrieb (40) mit einer Abtriebsachse (41) oder
Abtriebswelle (42) , welcher Abtrieb dazu eingerichtet ist mittels einer Axialbewegung oder einer Drehbewegung der Abtriebsachse oder Abtriebswelle eine Armatur zu betätigen;
Ein Getriebe (50) eingerichtet zum Übertragen einer Kraft oder eines Drehmoments vom Elektromotor auf den Abtrieb, wobei das Getriebe mehrere Verzahnungsteile (51) wie beispielsweise Zahnräder (51.1) oder Schnecken (51.2) aufweist, welche durch Verzahnungsteillager (52) wie beispielsweise Getriebeachsen
(52.1) oder Getriebewellen (52.2) gelagert sind; wobei Elektromotor, Getriebe und elektronische Betriebsschaltung im Gehäuse angeordnet sind, wobei der Elektromotor dazu eingerichtet ist, den Abtrieb mittels des Getriebes axial oder rotatorisch zu bewegen, wobei der Stellantrieb eine mittels einer Federvorrichtung (60) im Gehäuse federnd gelagerte Vorrichtung (61) aufweist, welche federnd gelagerte Vorrichtung durch den Abtrieb oder durch eines der Verzahnungsteile oder durch eines der Verzahnungsteillager ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb eine Kraftmessvorrichtung (70) aufweist, welche Kraftmessvorrichtung dazu eingerichtet ist, eine die Bewegung des Abtriebs bewirkende mechanische Vortriebskraft aus einer Auslenkung der federnd gelagerten Vorrichtung aus einer Ruheposition zu messen, wobei die elektronische Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, aus Kraftmesswerten bzgl. der Abtriebsbewegung sowie aus von Motorstrom und/oder Motorspannung hergeleiteten Messwerten einer mechanischen Motorkraft einen Antriebswirkungsgrad des Stellantriebs herzuleiten.
2. Stellantrieb nach Anspruch 1, wobei die Kraftmessvorrichtung (70) dazu eingerichtet ist, eine Auslenkung der federnd gelagerten Vorrichtung (61) aus der Ruheposition gegen die Federvorrichtung (60) in ein auslenkungsabhängiges Messsignal einer elektronischen Messgröße wie beispielsweise Induktivität, Kapazität, Stromstärke oder Spannung zu wandeln, wobei die Kraftmessvorrichtung oder die elektronische Betriebsschaltung (30) dazu eingerichtet ist, aus dem Messsignal einen Messwert für die Vortriebskraft abzuleiten bzw. zu berechnen.
3. Stellantrieb nach Anspruch 2, wobei die Kraftmessvorrichtung (70) einen Sensor (70.1) zwecks Erzeugung des Messignals mit beispielsweise einer Spule, einem Kondensator oder einer Photodiode aufweist, wobei die Kraftmessvorrichtung einen Abgreifarm (72.11) aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, durch eine axiale oder rotatorische Bewegung der federnd gelagerten Vorrichtung mitbewegt zu werden und dadurch eine Veränderung des Messsignals der elektronischen Messgröße zu bewirken.
4. Stellantrieb nach Anspruch 3, wobei die Kraftmessvorrichtung eine Hebelvorrichtung (72) mit einem Hebellager (72.01) sowie mit bzgl. des Hebellagers einem ersten Ende (72.1) und einem insbesondere gegenüberliegenden zweiten Ende (72.2) aufweist, wobei der Abgreifarm das erste Ende ausbildet, wobei das zweite Ende dazu eingerichtet ist, positionsabhängig einen Messwert der elektronischen Messgröße zu beeinflussen, wobei eine Hebellänge des ersten Endes insbesondere kleiner ist als eine Hebellänge des zweiten Endes.
5. Stellantrieb nach Anspruch 4, wobei der Sensor (70.1) ein Sensorelement (71) mit einer Stirnfläche (71.1) aufweist, wobei das zweite Ende (72.2) dazu eingerichtet ist, die Stirnfläche zumindest teilweise zu bedecken, wobei ein Bedeckungsanteil abhängig von der Vortriebskraft gegen die Federvorrichtung ist, wobei das Sensorelement eine Spule (71.2) aufweist, wobei das zweite Ende dauermagnetisch und/oder elektrisch leitfähig ist, wobei das zweite Ende dazu eingerichtet ist, eine Induktivität der Spule und des zweiten Endes zu beeinflussen, oder wobei das Sensorelement eine Kondensatorplatte (71.3) aufweist, wobei das zweite Ende elektrisch leitfähig ist, wobei das zweite Ende dazu eingerichtet ist, eine Kapazität der Kondensatorplatte und des zweiten Endes zu beeinflussen, oder wobei das Sensorelement eine Photodiode (71.4) aufweist, wobei das zweite Ende dazu eingerichtet ist, einen Lichteinfall beispielsweise durch eine LED abzuschwächen oder zu blockieren.
6. Stellantrieb nach Anspruch 4 oder 5, wobei das zweite Ende (72.2) scheibenförmig ausgebildet ist.
7. Stellantrieb nach einem der vorigen Ansprüche 2 bis 6, wobei Messwerte des Messsignals einen Wertebereich mit einem Maximalwert und einem Minimalwert einnehmen, wobei ein Messwert des Messsignals in kraftfreiem Zustand des Abtriebs einen Wert einnimmt, welcher weniger als 30%, und insbesondere weniger als 25%, und bevorzugt weniger als 20% einer Differenz zwischen Maximalwert und Minimalwert von einem Mittelwert des Wertebereichs entfernt ist.
8. Stellantrieb nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Federvorrichtung (60) zumindest ein erstes Federelement (60.1) und zumindest ein zweites Federelement (60.2) aufweist, wobei das zumindest eine erste Federelement dazu eingerichtet ist, eine Kraft gegen eine Auslenkung des Abtriebs (40) aus der Ruheposition in eine erste Richtung zu bewirken, wobei das zumindest eine zweite Federelement dazu eingerichtet ist, eine Kraft gegen eine Auslenkung der federnd gelagerten Vorrichtung (61) aus der Ruheposition in eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung zu bewirken.
9. Stellantrieb nach Anspruch 8, wobei das zumindest eine erste Federelement (60.1) und das zumindest eine zweite Federelement (60.2) den Abtrieb umgreifen, wobei eine Querschnittsebene des ersten Federelements und eine Querschnittsebene des zweiten Federelements einen Abstand kleiner als 30%, und insbesondere kleiner als 25%, und bevorzugt kleiner als 20% eines Durchmessers des ersten Federelements oder des zweiten Federelements ist.
10. Stellantrieb nach Anspruch 9, wobei die Abtriebsachse (41) als Gewindespindel ausgebildet ist, wobei die Gewindespindel rotatorisch fixiert ist, wobei der Abtrieb eine Spindelmutter (43) aufweist, wobei der Elektromotor (20) dazu eingerichtet ist, die Spindelmutter mittels des Getriebes rotatorisch anzutreiben und dadurch die Gewindespindel axial zu bewegen, wobei der Abtrieb im Gehäuse in einer axialen Richtung der Gewindespindel mittels der Federvorrichtung (60) federnd gelagert ist.
11. Stellantrieb nach Anspruch 10, wobei die Spindelmutter (43) radial mittels eines Wälzlagers (80) gelagert ist, welches Wälzlager zumindest teilweise in einer zylindrischen Vertiefung (11.1) der Gehäusewandung angeordnet ist, wobei die zylindrische Vertiefung einen Anschlag (11.11) für das Wälzlager gegen eine Bewegung in Richtung einer dem Gehäuse abgewandten Seite der zylindrischen Vertiefung bereitstellt, wobei das Wälzlager bei Abtrieb (40) in Ruheposition den Anschlag berührt und/oder gegen den Anschlag vorgespannt ist, wobei das zumindest eine erste Federelement (60.1) und das zumindest eine zweite Federelement (60.2) auf einer dem Gehäuse zugewandten Seite des Wälzlagers gegen das Wälzlager wirken .
12. Stellantrieb nach Anspruch 11, wobei der Stellantrieb ein im Gehäuse befestigtes Federblech (90) mit einer zentralen Öffnung (91) aufweist, durch welche Öffnung die Spindelmutter (43) geführt ist, wobei die Spindelmutter auf einer dem Gehäuse abgewandten Seite des Federblechs eine radiale Ausformung (43.1) , insbesondere einen Bund, aufweist, welche dazu eingerichtet ist, direkt oder indirekt als Anschlag gegen das Federblech zu wirken, wobei das Federblech als eines des zumindest einen ersten Federelements (60.1) ausgebildet ist.
13. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das Federblech (90) außerhalb der zylindrischen Vertiefung (11.1) angeordnet ist, wobei die radiale Ausformung (43.1) über das Wälzlager (80) gegen das Federblech wirkt.
14. Stellantrieb nach Anspruch 12 oder 13, wobei ein erstes der Verzahnungselemente des Getriebes (50) rotativ fest mit der Spindelmutter (43) verbunden ist, wobei die Federvorrichtung (60) mindestens eine Tellerfeder aufweist, welche mindestens eine Tellerfeder die Spindelmutter umgreift und als mindestens eines des zumindest einen zweiten
Federelements (60.2) ausgebildet ist, wobei die mindestens eine Tellerfeder zwischen dem ersten
Verzahnungselement und dem Wälzlager angeordnet und eingespannt ist.
/Zusammenfassung
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