CN103688463A - 流量控制致动器 - Google Patents

Abstract

一种致动器(1’)，用于驱动控制流动通道(29)中的流体流量的调节元件(30)，包括用于驱动调节元件(30)的电动马达(4)和用于控制提供给电动马达(4)的电流的控制单元(2)。在从控制单元(2)至电动马达(4)的电流路径中定位有电阻元件(3)，电阻元件(3)包括电阻器(5)和与该电阻器(5)并联的NTC热敏电阻(6)。因而，当环境温度升高时，电阻元件(3)的减小的电阻平衡马达绕组的增大的电阻，从而使得从控制单元(2)至马达(4)的电流较少地变化，并且马达(4)的输出转矩随之较少地变化。

Description

流量控制致动器

技术领域

本发明涉及一种用于驱动控制流动通道中的流体流量的调节元件的致动器，该致动器包括用于驱动调节元件的电动马达和用于控制提供给电动马达的电流的控制单元，其中在从控制单元至电动马达的电流路径中定位有电阻元件。

背景技术

HVAC系统和部件，即加热、通风和空调领域中的系统和部件以许多不同的设计存在。其中—种设计是名义上设计为在给定温度范围工作的系统和部件，但是也装备有特殊特征，这些特殊特征允许这些系统和部件也可以在显著不同的温度条件下的异常情形中工作，至少持续一定的时间段。这种异常情形包括例如火灾和烟雾情形。

由一些HVAC部件执行的任务之一是调节流体的流量，例如经过例如管、通风管道、通道等流动通道的水流量或空气流量。这一般是利用挡板或阀来实现的，所述挡板或阀布置在流动通道中或流动通道附近，并且是可以控制的以便在给定程度上打开或关闭流动通道。

一般使用电动马达来调节挡板或阀的位置，从而在流动通道中达到流体的期望流速。然而电动马达的一个弊端是马达的输出功率随着温度升高而降低。这种降低的其中一个原因是电源不理想的这样一个事实。另一个原因是电动马达中的磁场由于磁铁变弱而减少。因而，在外界温度升高的情况下，马达转矩减小，由于减小的马达转矩不再足以致动挡板或阀，所以这可能导致整个系统发生故障。

在该问题的已知解决方案中，电动马达及随之的马达控制以及系统的其他单元的尺寸确定为在较高温度下满足转矩要求。因而，马达的大小选择为减小的马达转矩在较高温度下足以致动挡板或阀。或者换句话说，马达以及其他部件实质上过大，从而不仅对于马达而且对于其他系统部件而言，导致了更高的空间要求以及成本的增加。

另一种HVAC致动器公开在来自Honeywell的US2010/0123421A1中。致动器包括控制器，其响应于各种传感器信号来控制马达的输出转矩，例如位置传感器或速度传感器。

虽然这种数字式转矩控制在环境温度升高的情况下一般能够控制转矩，然而表明零件和空间及随之的成本要求增加，因此需要额外的部件例如传感器或者复杂的马达控制器用于其实施。

同样来自Honeywell的EP 0895346 A2公开了另外的HAVC致动器，该致动器是两个位置的弹簧返回致动器并且在高温下能够正确地工作。该致动器包括温度传感器和PWM(脉宽调制)控制器，该控制器根据感测到的温度来控制向马达供应电流的电压。为了补偿马达功率在高温情况下的降低，如果感测到的温度超过给定限值，则控制器增大电压。

这种致动器也需要复杂并且因此昂贵的控制，并且不允许连续的温度依存性电压控制，而仅允许低于或者高于给定限值的两个温度输入值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种属于最开始提及的技术领域的致动器，其能够在宽泛的温度范围内被操作，但是具有减少的零件、空间和成本要求。本发明的另一个目的是提供—种用于这样的致动器的控制单元。本发明的进一步的目的是提供一种用于相应地驱动控制流动通道中的流体流量的调节元件的方法。

本发明的上述目的的解决方案由权利要求1的特征来明确说明。一种用于驱动控制流动通道中的流体流量的调节元件的致动器包括用于驱动调节元件的电动马达、和用于控制提供给电动马达的电流的控制单元，其中在从控制单元至电动马达的电流路径中定位有电阻元件。根据本发明，电阻元件的电阻具有非线性的温度依存性。

电动马达的输出转矩主要是经过马达绕组的电流的函数。响应于变化的温度，电阻设备由于其温度依存性电阻以及根据其温度系数，而具有增大或减小的电阻。因而环境温度的变化具有两种相反的效果。升高的温度例如首先使得马达绕组中的电流减小。其次，在负温度系数的电阻元件的情况下使得电阻元件的电阻减小，并且随之使得马达绕组中的电流增大。因此经过电阻元件的电流增大平衡马达中的电流减小。这两种效果一起产生根据电阻元件的选择和特性曲线而较少地变化或者实质上恒定的马达电流。

在另一个示例中，降低的温度使得马达绕组中的电流增大。在正温度系数的电阻元件的情况下，其电阻增大，这减小了马达绕组中的电流。电阻元件的增大的电阻同样平衡马达中的电流增大，同样产生较少变化或者实质上恒定的电流。

在从控制单元至马达的电流路径中以任何方式最常见定位具有欧姆电阻的电阻元件，欧姆电阻即具有实质上线性温度依存性的电阻。通过将该电阻元件简单地修改为具有非线性温度依存性电阻的电阻元件，使得利用最少的附加空间和零件并且因此是最小的附加成本来实现本发明的上述目的。

在本发明的优选实施例中，在从控制单元至马达的电流路径上定位有具有实质上指数型温度依存性的电阻的电阻元件。

根据致动器的具体应用，可以使用具有正温度系数的电阻元件。在例如马达暴露在实质上低于其额定运转温度的温度下的应用中，可以使用具有正温度系数的电阻元件来将马达电流限制为最大值或者如上所述地保持其恒定。

然而在本发明的优选实施例中，电阻元件具有负温度系数，使得能够平衡由于升高的环境温度而减小的马达电流。

存在不同的方式来实施具有期望温度依存性的电阻元件。例如电阻元件可以通过温度传感器、至少一个开关和在电阻网络中连接的若干个电阻器来获得，其中每个电阻器都具有线性的温度依存性。非线性温度依存性电阻然后可以通过感测温度并且通过接通或断开至少一个开关而根据感测到的不同温度来激活和/或停用电阻器的不同子集来获得。该实施的弊端是零件的数量增加。

另一种方式是在从控制单元至马达的电流路径中直接定位具有负温度系数的单个电阻器。然而在某些应用中，不可能找到在额定运转温度和更高温度下具有期望电阻的电阻器。

因此在本发明的优选实施例中，电阻元件包括第一电阻元件和与该第一电阻元件并联的具有负温度系数的设备。第一电阻元件通常是以任何方式存在于从控制单元至马达的电流路径中的电阻器。因此第一电阻元件和设备的大小可以彼此独立地确定，该构造允许仅利用一个单个附加部件就在运转温度的整个范围上获得期望电阻值。

还能够通过简单地在控制单元至马达的电流路径中与已有电阻器并联这样的具有负温度系数的设备来改装或升级已有致动器。

具有负温度系数的设备优选地是热敏电阻，因为不同类型的具有负温度系数的热敏电阻(简称为NTC热敏电阻)由于合理的成本而容易获得。这种NTC热敏电阻以其依存于温度的电阻的连续特性为特征，这进一步使得能够对电阻并且随之对马达功率进行连续的温度依存控制。

虽然在改装或升级已有致动器的上述示例中，这种NTC热敏电阻可以与控制单元分离地设置，然而控制单元和NTC热敏电阻优选为单个电路的一部分。在这方面术语单个电路意味着它们是在单个共同的衬底上实现的，例如像单个印刷电路板或者单个集成电路。因此能够一起制造控制电路和热敏电阻，这允许减少致动器的制造步骤的数量。

通常，不仅NTC设备可以由热敏电阻实施，而且第一电阻元件也可以由热敏电阻实施。然而，由于其简单性并且由于大多数已有的致动器设计在从控制单元至电动马达的电流路径中以任何方式包括欧姆电阻器，所以第一电阻元件优选地实施为欧姆电阻器。

在某些应用中，不要求马达电流在整个温度范围上满足额定电流。仅在某个温度范围内减少电流降低可能是足够的。

然而在其他应用中，NTC热敏电阻的正确大小是关键性的。因此在本发明的优选实施例中，NTC热敏电阻设计为由于环境温度升高至110℃-130℃而引起的马达电流的减小由热敏电阻的电阻减小平衡至额定运转温度下的马达电流的80％-120％的电流，在某些应用中，甚至平衡至额定运转温度下的马达电流的95％-110％的电流。

此外在其他应用中，NTC热敏电阻在本发明的优选实施例中设计为由于环境温度升高至165℃-185℃而引起的马达电流的减小被平衡至额定运转温度下的马达电流的80％-120％的电流，在某些应用中，甚至平衡至额定运转温度下的马达电流的95％-110％的电流。

通过对电阻元件提供具有不同连接构造的一个或多个进一步的部件，例如欧姆电阻器或温度依存性电阻器，使得能够接近电阻元件的电阻的期望特性，并且因此接近马达转矩的期望特性，例如在整个运转温度范围上的实质上恒定的马达的输出转矩，或者甚至在升高温度下的略微增加的转矩。

一般来说，本发明可以应用于任何电流受控的电动马达，其中尽管环境环境温度升高或下降，但马达转矩必须保持大体上恒定。然而，在其他应用中对于控制单元和/或马达的要求可以显著地不同，因此本发明优选地应用于HVAC致动器，即加热、通风以及空调领域的致动器。

在优选的HVAC应用中，致动器的调节元件是防火挡板。这种防火挡板通常布置在流动通道中，例如通风管道、通风管/导管等，其中它们用于通过或多或少地打开或关闭通道开口来调节通道中的空气流量。在火灾的情况下，非常重要的是在至少预定时间段内，尽管环境温度升高，但致动器维持其适当的功能性。这使得例如烟、新鲜空气、水或其他流体能够从某个区域或区排出或推进到某个区域或区中。

在本发明的优选实施例中，待由致动器调节的流体流量是空气流量。虽然本发明原则上也适用于调节液体或任何种类的气态流体的流量，但是对于调节这种流量的要求可以与用于控制空气流量的致动器显著地不同。

在本发明的另一个优选实施例中，致动器包括齿轮机构。该齿轮机构定位在电动马达和调节元件之间，并将电动马达的马达轴的通常旋转输出运动转换成适当的运动，来驱动用于控制流体流量的调节元件。

在布置在流动通道中并安装在与流体流量的流动方向垂直的可旋转轴上的挡板或阻力板的情况下，齿轮机构将马达轴的旋转运动转换成具有不同旋转速度的轴的旋转运动。虽然齿轮比一般可以取任何(物理上合理的)值，但是齿轮机构优选地设计为具有低于1的齿轮比的减速齿轮。齿轮比优选地显著地低于1，即低于0.01或甚至更低，以便将马达轴的高速的通常低转矩旋转运动转换成挡板的低速的高转矩旋转运动。

在根据本发明的致动器的一些实施例中，马达用来向两个方向驱动调节元件，即打开和关闭流动通道。在其他实施例中，致动器优选地包括用于使调节元件返回到缺省位置的重置元件。虽然马达向第一方向驱动调节元件，但是重置元件向相反方向驱动调节元件。在这种情况下，马达可以包括单向离合器。在其他应用中，马达用来向两个方向驱动调节元件，而重置元件仅在紧急情况下使用，从而例如在电力或马达发生故障的情况下，使调节元件返回到若干个可能缺省位置中的特定位置或一个位置。

重置元件例如可以是弹性材料，例如橡胶、液压部件或气动部件、一个或多个弹簧等。并且重置元件可以布置为例如在马达输出处、在齿轮处(如果可用的话)、在调节元件处或之间的任何位置，接合从马达到调节元件的驱动路径。

本发明的另一个目的的解决方案是通过权利要求14的特征来明确说明的。一种控制单元，用于控制提供给致动器的电动马达的电流，致动器用于驱动控制流动通道中的流体流量的调节元件，控制单元包括定位在从控制单元至电动马达的电流路径中的电阻元件。根据本发明，所述电阻元件具有温度依存性电阻。

在本发明的优选实施例中，包括待由根据本发明的控制单元控制的马达的致动器是之前所描述的致动器。

本发明的另一个目的的解决方案是通过权利要求15的特征来明确说明的。在通过向电动马达提供由控制单元控制的电流来利用电动马达驱动控制流动通道中的流体流量的调节元件的方法中，在从控制单元至电动马达的电流路径中提供电阻元件。根据本发明，在从控制单元至电动马达的电流路径中提供具有温度依存性电阻的电阻元件。

在本发明的优选实施例中，根据本发明的方法是利用上面描述的控制单元或致动器来执行的。

上文和以下描述或示出的所有示例和附图并不旨在限制本发明的范围，而仅仅表示本发明的例示性实施例。

从以下的详细描述和权利要求整体可以清楚其他有利的实施例及特征的组合。

附图说明

用于说明实施例的附图示出了：

图1示出了根据本发明的致动器的示意图；

图2示出了根据本发明的另一个致动器的示意图；

图3示出了在本发明中使用的电阻元件的特性曲线的示意图；

图4示出了具有根据本发明的致动器的HVAC系统的示意图。

在附图中，对相同的部件给予相同或相应的参考符号。

优选实施例

图1示出了根据本发明的致动器1的示意图。致动器1包括控制器2、电阻元件3及电动马达4，电阻元件3实施为NTC热敏电阻，即具有负温度系数的热敏电阻。因而，电阻元件3的电阻随着热敏电阻的温度升高而减小。

图3定性地示出了NTC热敏电阻的温度/电阻的特性12的示意图。X轴10从左到右表示热敏电阻的温度升高，Y轴11从下到上表示热敏电阻的电阻增大。如本领域中公知的那样，NTC热敏电阻的电阻示出了指数型下降特性。热敏电阻的电阻R_T在绝对温度T下根据等式

来确定。其中，T_N是热敏电阻的额定温度(通常为25℃，这意味着298.16Kelvin)，R_N是额定温度下以欧姆表示的热敏电阻的额定电阻，并且其中B是热敏电阻的材料常数并且确定为材料的激活能和波尔兹曼常数的比值。

图2示出了根据本发明的另一个致动器1’的示意图。在该示例中，电阻元件3’包括电阻器5和与电阻器5并联的NTC热敏电阻6。如已知的那样，在电阻器5具有电阻R1并且热敏电阻6具有电阻R2的情况下，电阻元件3’的总电阻R_tot如下确定：

$R_{\mathrm{tot}}=\frac{R1\·R2}{R1+R2}$

能够容易地看出当R2随着温度升高而减小时，R_tot减小。本领域公知的是，为了满足具体应用的要求，在给定的电动马达4和给定的控制器2的情况下，要正确地确定电阻器5和热敏电阻6的大小和尺寸。致动器1’例如在额定运转温度是对应于额定环境温度的25℃的应用中使用。在火灾的情况下，环境温度及随之的热敏电阻6的温度升高。因而，如之前所说明的那样，热敏电阻6的电阻减小，从而导致电流增大，其平衡马达绕组中的电流减小。根据给定的电动马达4以及致动器1’的其他给定部件例如控制器2，电阻器5和热敏电阻6的大小例如确定为，当热敏电阻6的温度达到大约120℃的温度时，流经电阻元件3’的马达电流处于25℃下的马达电流的大约80％-120％的范围。

由此当确定部件的尺寸时，可以忽略电阻器5的温度依存性，但如果需要也可以考虑，电阻器5可以例如是欧姆电阻器。

在如图1所示的致动器的示例性实施中，电动马达4是有刷或无刷直流马达，电阻器5具有2.8欧姆的值，在25℃的温度下产生大约72mA(毫安)的马达电流，输送大约0.4mN*m(毫牛顿*米)的输出马达转矩。当温度升高至120℃时，马达电流减小至大约66mA的值和大约0.3mNm的输出马达转矩。

根据本发明，与电阻器5并联地设置NTC热敏电阻6，来形成如图2所示的致动器1’。NTC热敏电阻是例如在室温下具有220欧姆的电阻并且在120℃的温度下减小至大约14欧姆的NTC-220。在该示例中，在25℃的温度下产生的马达电流近似为71mA，并且产生大约0.4mN*m的输出马达转矩。当温度升高至120℃时，在这种情况下马达电流增大到大约85mA，并且输出马达转矩增加到大约0.43mNm。

如上所述，图3定性地示出了NTC热敏电阻的温度/电阻-特性12。图3还定性地示出了电阻器5和热敏电阻6的总电阻的减小13。可以看出总电阻随着温度升高而减小。

图4示出了具有根据本发明的致动器21的HVAC系统的示意图。致动器包括控制器22和电动马达24。在控制器22中结合有例如对应于图2中示出的电阻元件3’的电阻元件23。致动器21由电源27供电，例如像连接到电力网的电源。电源还可以是电池，电池可以或可以不是再充电的，或者包括在电力网发生故障的情况下确保致动器21在至少特定时间段内正确地发挥功能的电池。电动马达24的输出运动通常是马达轴的旋转运动，由减速齿轮28转变为旋转运动来驱动防火挡板30，防火挡板30布置在管29形式的流动通道中并且能够旋转地安装在轴31上。更精确而言，减速齿轮28的输入被连接到马达轴，并且其输出被连接到防火挡板30的轴31，轴31贯穿管29的连接有减速齿轮28的壁部。在示出的示例中，HVAC系统包括重置元件32，重置元件32连接到防火挡板30的轴31，以便抵消电动马达4的旋转运动。然而重置元件32可以连接到驱动路径的任何部分，即在马达输出处、防火挡板30自身或之间的任何位置。

总之，要注意的是本发明提供了一种用于驱动控制流动通道中的流体流量的调节元件的致动器，其中温度依存性电阻器形式的仅单个附加部件就足以在宽泛的温度范围内操作致动器。

Claims (15)

1.一种致动器(1)，用于驱动控制流动通道(29)中的流体流量的调节元件(30)，该致动器(1)包括用于驱动所述调节元件(30)的电动马达(4)和用于控制提供给所述电动马达(4)的电流的控制单元(2)，其中在从所述控制单元(2)至所述电动马达(4)的电流路径中定位有电阻元件(3)，其特征在于，所述电阻元件(3)的电阻具有非线性温度依存性，特别地具有大致指数型温度依存性。

2.根据权利要求1所述的致动器，其中所述电阻元件(3)具有负温度系数。

3.根据权利要求2所述的致动器，其中所述电阻元件包括第一电阻元件(5)和与所述第一电阻元件(5)并联的具有负温度系数的设备(6)。

4.根据权利要求3所述的致动器，其中所述设备是热敏电阻(6)。

5.根据权利要求3所述的致动器，其中所述控制单元(2)和所述设备(6)是单个电路的一部分。

6.根据权利要求3所述的致动器，其中所述第一电阻元件是欧姆电阻器(5)。

7.根据权利要求4所述的致动器，其中所述热敏电阻(6)设计为，由于环境温度升高至110℃-130℃而引起的马达电流的减小由所述热敏电阻的电阻减小平衡至额定运转温度下的马达电流的80％-120％范围内的电流，特别地平衡至额定运转温度下的马达电流的95％-110％范围内的电流。

8.根据权利要求7所述的致动器，其中所述环境温度升高至165℃-185℃被平衡至额定运转温度下的马达电流的80％-120％范围内的电流，特别地平衡至额定运转温度下的马达电流的95％-110％范围内的电流。

9.根据权利要求1-7中任意一项所述的致动器，其中该致动器是加热、通风和空调领域的致动器(1)。

10.根据权利要求1-7中任意一项所述的致动器，其中所述调节元件是防火挡板(30)。

11.根据权利要求1-7中任意一项所述的致动器，其中所述流体流量是空气流量。

12.根据权利要求1-7中任意一项所述的致动器，该致动器包括定位在所述电动马达(4)和所述调节元件(30)之间的齿轮机构(28)，其中该齿轮机构(28)特别地设计为减速齿轮。

13.根据权利要求1-7中任意一项所述的致动器，其中该致动器包括用于使所述调节元件(30)返回到缺省位置的重置元件(32)。

14.一种控制单元，用于控制提供给致动器的电动马达的电流，所述致动器用于驱动控制流动通道中的流体流量的调节元件，特别是根据权利要求1-13中任意一项所述的致动器，其中所述控制单元包括电阻元件，该电阻元件定位在从所述控制单元至所述电动马达的电流路径中，其特征在于，所述电阻元件具有温度依存性电阻。

15.一种通过向电动马达提供由控制单元控制的电流来利用所述电动马达驱动控制流动通道中的流体流量的调节元件的方法，在从所述控制单元至所述电动马达的电流路径中提供电阻元件，其特征在于，在从所述控制单元至所述电动马达的电流路径中提供具有温度依存性电阻的电阻元件。

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