CN105221810B - 阀致动器、阀以及用于控制阀致动器的方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于阀的阀致动器(18)，其具有包括转子(34)与定子(32)的电机(20)，并且具有包括用于将转子(34)保持在制动位置中的至少一个制动磁体(46)的磁性制动器(30)。转子磁体(36)布置在转子(34)上并且与制动器(30)配合并且尤其设计为永磁体。此外，描述了阀与用于控制阀致动器(10)的方法。

Description

阀致动器、阀以及用于控制阀致动器的方法

技术领域

本发明涉及用于阀的阀致动器、具有阀致动器的阀以及用于控制用于阀的阀致动器的方法。

背景技术

可以经由阀致动器调节阀元件的位置以及由此通过阀的介质的通流。阀致动器通常地包括经由齿轮机构与心轴联接到阀元件的电机，此阀元件与阀座关联以便控制或调节通过阀的通流。通常地说，期望的是设计尽可能低摩擦的阀致动器，由此要求的移动力被减小并且阀致动器的效率相应地增加。这可以例如由于心轴以极其高质量等级的制造以使其摩擦最小化而实现。此心轴也称为超级低摩擦心轴。

然而，已经证实由于介质的压力可能移动阀元件是不利的，由于低摩擦心轴不具有抵消由介质的压力产生的打开力矩的自锁定效果。因此，尽管阀在可移动性方面是高度有效的，但是其不能被固定地保持在期望的位置中。

本发明的目的是提供具有高效率等级并且与此同时阀可以固定地保持在调节位置中的阀致动器。

发明内容

通过用于阀的阀致动器实现了根据本发明的此目的，该阀致动器具有包括转子和定子的电机并且包括具有带有用于将转子保持在制动位置中的至少一个制动磁体的磁性制动器，其中至少一个转子磁体布置在转子上并且与制动器配合并且尤其形成为永磁体。

本发明的原理是提供具有作用在电机尤其转子上的磁性制动器的阀致动器，使得转子磁体在特定位置中与至少一个制动磁体相互作用。因而，产生了高于由介质的压力产生的打开力矩的制动力矩。由此产生了阀致动器的外部锁定，这确保了介质的压力不能移动阀。由于外部产生的锁定，阀致动器可以与超级低摩擦心轴尤其是再循环球螺钉形成，并且由此在移动过程中阀致动器具有高效率等级并且然而确保阀保持在期望位置中。与具有自锁定齿轮机构或心轴的阀致动器相比，阀致动器的效率显著地更高。将制动器设计为磁性制动器另外地确保了在制动器上不发生磨损，如对于机械制动器来说的此种情形。例如，电机可以是无刷电机，由于这是尤其有效的，由此整个阀致动器的效率相应地增加。此外，由此制造了能量节约阀致动器。

定子可以设计为包括主体与线圈保持部分的线圈载体，尤其是面向转子并且与主体隔开的六个线圈保持部分，线圈设置在线圈保持部分上。定子同时地形成电机的壳体部分。定子还可以由铁磁或可磁化材料构成。无刷电机的线圈设置在壳体部分上并且可以用于产生用于致动转子的旋转场。转子通常地包括与产生的旋转场相互作用的多个转子磁体，例如八个转子磁体。通过将定子设计为壳体部分，节约材料并且容易制造的电机的实施方式是可能的。

根据本发明的一个方面，制动器，尤其是制动磁体与定子形成磁回路。相应地，定子被制动器或制动磁体磁化，并且由此定子自身是从制动磁体发出的磁回路的一部分。

特别地，制动磁体相对于定子的设计和/或材料是强的以使得定子实现其饱和磁化。制动磁体产生此强磁场，该磁场具有高的场线强度。由于定子被制动磁体磁化直到饱和磁化，因此不促进定子的饱和的剩余磁场线可以与至少一个转子磁体相互作用以将转子保持在其制动位置处。制动磁体由此在定子中形成两个磁体回路：一个闭合或饱和磁回路(磁短路)以及用于产生制动力矩的一个附加磁回路。因此，由于制动磁体的强磁场，因此不仅发生磁短路，例如如果制动磁体太弱发生并且壳体部分没有实现其饱和磁化，那么这可能会发生。从制动磁体发出的磁场使设置在定子的材料中的分子磁体定向，由此从转子磁体发出的磁场在定子中偏移。从制动磁体发出的磁场由此在定子自身中被强化。与定子外部相比，这具有在定子中存在较高的磁通量密度的结果。由此，在定子中，磁场线更靠近位于一起。

在本发明的另一个方面，设定至少一个制动磁体与定子的侧表面相关。侧表面是转子的旋转轴不延伸通过其的这些侧面。因此，制动磁体未同时作用在全部提供的转子磁体上，而是仅作用在与其侧表面与制动磁体相关的侧面相关的这些转子磁体上，并且由此制动磁体限定转子。如果转子是固定的，那么制动磁体在与其上布置有制动磁体的壳体部分的侧面相关的转子磁体上产生制动力矩，条件是打开力矩由于介质的压力起作用。可以设定定子被其上布置有制动磁体的壳体元件围绕。

此外，至少一个凹入部可以设置在其侧表面与制动磁体相关的定子的侧面上，尤其使得定子具有贯穿狭槽。在定子的主体中设有凹入部。可以经由定子的结构设计，即凹入部或狭槽调节何时定子实现其饱和磁化的时间。通过提供凹入部与狭槽，可以较早地实现定子的饱和磁化，并且由此制动磁体可以设计为相应地更弱以便产生要求的制动力矩。可以通过轴承防护件补偿伴随狭槽的设定的机械弱化。

根据本发明的另一个方面，制动器包括尤其布置在定子的两个相对侧表面上的两个制动磁体。由于要求的制动力矩由制动磁体的总和及其相应的强度提供，因此单个制动磁体可以设计为更弱。由于在两个相对侧面或侧表面上的布置，当打开力矩作用在转子上时，在转子上产生同样作用的制动力矩。

特别地，制动器可以包括至少一个通量传导元件，尤其是至少一个极靴。由制动磁体产生的磁场可以经由通量传导元件以定向方式转移，并且由此该场根据定子与转子的设计以最佳方式与转子或至少一个转子磁体配合以便形成有效的制动器。极靴直接地布置在制动磁体的极上。

在本发明的再一个方面，设定制动磁体设计为永磁体。由于不必设置用于制动磁体的另外的能量供给，因此阀致动器的效率由此增加，如具有电磁体的此种情形。特别地，永磁体可以是例如由钕铁硼(NdFeB)构成的稀土磁体，或者例如由钐钴构成的含钐磁体。

本发明还涉及具有前述类型的阀致动器的阀。以此种方式设计的阀致动器确保阀固定地保持在其设定的位置中。然而，在移动过程中，此阀具有特别高的效率等级。

本发明还涉及用于控制用于阀的包括电机与磁性制动器的阀致动器的方法，其中当启动时，控制或调节所述电机，使得电机产生磁场，尤其是使磁场弱化的固定磁场，尤其是磁性制动器的附加的磁场。由于当启动时由制动磁体产生的磁场弱化，由此产生了改进的运行特性，并且由此该磁场未造成或者未显著地造成转矩波动或转矩偏差。这改进了在移动过程中，尤其当启动时阀的运行特性。当电机启动时，仅致动要求形成固定磁场的定子的那些线圈，此场与制动磁体的场相抵消。

附图说明

通过下面的描述及参照的附图，本发明的其它优点与特性将是显而易见的。在附图中：

图1示出了根据本发明的阀的示意图；

图2示出了根据本发明的第一实施方式的沿着图1中的剖面线X通过在阀致动器中使用的转子与定子的剖面；

图3示出了具有包括太弱的制动磁体的阀致动器的沿着图1中的剖面线X的剖面；

图4示出了沿着图1中的剖面线X的截面中的本发明的第二实施方式；

图5示出了沿着图1中的剖面线X的截面中的第三实施方式；

图6示出了沿着图1中的剖面线X的截面中的第四实施方式；

图7示出了在制动磁体的区域中的来自图2的定子的放大细节；

图8示出了与图7相应的视图，示出了第五实施方式；

图9示出了与图7相应的视图，示出了第六实施方式；

图10示出了沿着图1中的剖面线X的截面中的第七实施方式；

图11示出了沿着图1中的剖面线X的截面中的第八实施方式；

图12示出了在操作过程中在图2中示出的实施方式；以及

图13示出了其中比较地示出了在启动时执行启动控制与不执行启动控制的转子上的制动力矩的图表。

具体实施方式

图1示出了阀10，其包括壳体11，壳体中设有介质经由其流动到阀10中的入口12以及介质可以经由其离开阀10的出口14。

阀10包括在入口12与出口14之间的流动路径15，其中设有可以与阀座17配合以便影响流速的阀元件16。在示出的实施方式中，阀元件16设计为密封锥。

阀元件16联接到阀致动器18，并且因此，如果要设定通过阀10的另一个流速，那么可以通过阀致动器18移动阀元件16。

阀致动器18包括可以设计为无刷电机的电机20，以及将由电机20产生的转矩传送到心轴24的齿轮机构22。特别地，这是减速齿轮单元。

心轴24进一步通过布置在阀12的壳体10上的螺纹螺母26被固定地保持与引导。螺纹螺母26与心轴24配合以将心轴24的旋转运动转化成轴向移动。心轴24从螺纹螺母26转变成直接地联接到阀元件16并且同样是阀致动器18的一部分的圆柱形挺杆28。

因此，由电机20产生的转矩经由齿轮机构22传送到心轴24，并且然后转化成挺杆28以及由此阀元件16的轴向移动，以便调节通过阀10的通流量。

可以以高质量等级制造心轴24，并且由此其摩擦特别小，由此阀致动器18在阀元件16的移动过程中具有高效率等级。由于高质量，心轴24与整个阀致动器18都不是自锁定的。

为了防止介质的压力移动阀元件16以及由此整个阀10，阀致动器18另外地具有将阀致动器18保持在期望位置中的制动器30。如将在图2至图13的协助下描述的，制动器30布置在电机20上并且与其配合。

图2示出了具有制动器30的阀致动器18的横截面视图。

如在图2中所示，电机20设计为包括定子32与至少部分地周边地被定子32围绕的转子34的无刷电机。

在示出的实施方式中，转子34包括设计为永磁体的八个转子磁体36。转子磁体36直接邻近彼此地以相同的径向距离布置在转子34的旋转轴D周围。它们每个都根据它们的极性以交替方式布置。转子磁体36另外地设计为使得全部转子磁体36的相应磁体轴相遇于旋转轴D。磁体轴理解为表示居中地延伸通过两个极的转子磁体36的轴。转子磁体36布置在转子34的径向外边缘处。

转子磁体36设计为永磁体，尤其设计为稀土磁体。

与此同时，定子32形成壳体部分38并且由例如铁磁材料的可磁化材料构成。定子32包括主体40与面向转子34并且与主体40隔开的线圈保持部分42。在每个线圈保持部分42之间形成空气间隙，由此壳体部分38或者定子32设计为以便节省材料。

在示出的实施方式中，定子32具有每个都保持线圈44的总共六个线圈保持部分42。线圈保持部分42相对于旋转轴D以相等距离周边地分布布置，并且由此两个线圈保持部分42通常彼此直径上对置地布置。

这确保可以经由线圈44产生电磁旋转场，所述场致动转子34，并且由此在操作过程中，此转子围绕旋转轴D旋转。

图2还示出了包括与定子32的侧表面相关的制动磁体46的磁性制动器30，其中侧表面理解为表示转子34的旋转轴D不延伸通过其的任何表面。如将在下文描述的，这确保制动磁体46不是同时地作用在布置在转子34上的全部制动磁体36上，而是仅作用在与相应的侧表面相关的制动磁体36上。

在示出的实施方式中，磁性制动器30直接地布置在定子32的相应侧面48上。这尤其是由于定子32同时地形成壳体部分38的事实。如果定子32被例如其它壳体元件围绕，那么如果确保能够形成从壳体元件到定子的良好的磁通量，那么制动器30也可以布置在其它壳体元件上。

由于定子32由可磁化或铁磁材料构成，因此从制动磁体46发出的磁场线集中在定子32中，由此与定子32的外部相比，在定子32中存在更强的磁通量密度。通常地，制动磁体46经由定子32磁性地短路。

制动磁体46设计为很强以使得其磁化定子32直到其饱和磁化。这意味着，存在延伸通过饱和定子32的磁短路或闭合的磁回路M1(磁场线示出为粗线)。

由于定子32已经磁化到饱和程度并且由于制动磁体46的高强度，因此除了制动磁体46的磁短路M1以外，还具有仅示出其中的一个单个磁场线的磁场线的另一个阵列。这些磁场线形成附加的磁回路M2。

附加的磁回路M2经由定子32的主体40与邻近制动磁体46的线圈保持部分42a延伸。磁回路M2经由线圈保持部分42a离开壳体部分38以便在抵靠线圈保持部分42a放置的转子磁体36a上方延伸。附加的磁回路M2还从转子磁体36a延伸到直接地邻近的根据极性与转子磁体36a相对定向的转子磁体36b。由于附加的磁回路M2传送到抵靠转子磁体36b放置并且同样地邻近制动磁体46的另一个线圈保持部分42b，因此，其在此转子磁体36b上方从转子34延伸返回到定子32。附加的磁回路M2由此线圈保持部分42b返回到制动磁体46并且在那里终止。

可磁化定子32的分子磁体由于制动磁体46的外部磁场定向。还可以通过转子磁体36进一步影响外部磁场。

由于磁回路M2部分地在转子34上方延伸并且使其磁性地联接到转子32，因此，保持力由此经由此附加的磁回路M2施加在转子34上。因而，由于保持力然后产生制动力矩，因此，对于转子34来说能够对抗介质的压力的打开力矩保持在设置的位置中。

此外，制动器30包括至少一个通量传导元件50，其在示出的实施方式中直接地布置在制动磁体46上以便以定向的方式将从制动磁体46发出的场线转移到定子32。在各种情形中，通量传导元件50定位到制动磁体46的两个极。

图3示出了相同的结构布置，其中，然而，制动磁体46设计为较弱。弱的制动磁体46不能磁化壳体部分38直到其饱和磁化(磁场线示出为细线)，由此没有出现在转子34上方延伸的附加磁回路。因此，仅存在延伸通过定子32的磁短路M1。因此，不能由此产生制动力矩。因此，由于制动磁体46太弱，图3不代表本发明的实施方式。

图4至图6示出了阀致动器18的另一个实施方式，其中，图4的实施方式与图2的实施方式不同之处在于制动磁体46不同定向地布置在定子32的侧面48上。

尽管制动磁体46与图2的实施方式相比旋转90°的布置，，对于制动磁体46来说，还是能在适当高磁体强度的情形中完全地磁化定子32。因而，定子32实现其饱和磁化并且可以形成附加的磁回路M2，但是这在此附图中未示出。这主要地由于定子32由相应地加强制动磁体46的磁场线的可磁化或铁磁材料构成的事实。

以与前面实施方式类似的方式，附加的磁回路M2将转子34固定在设置的位置中。

根据图5，制动磁体46不是居中地而是横向偏移地布置在侧面48上。由于从制动磁体46发出的磁场在相邻线圈保持部分42a、42b中不是精确地相同尺寸，因此可以精确地调节转子34在设置的位置中的固定。这在转子34上产生不同的保持力。

图6示出了阀致动器18的另一个实施方式，其中，制动器30包括布置在转子32的相同侧48上的两个制动磁体46a、46b。

两个制动磁体46由此根据它们的极性彼此相对地布置，并且由此经由两个制动磁体46产生与图2中类似的磁场。由于具有两个制动磁体46的制动器30的设计，两个制动磁体46每个都可以设计为比在图2的实施方式中的制动磁体46更弱。然而，由于较高数量的制动磁体46，因此可以实现相同大小的制动力矩。

图7至图9示出了由图2中的虚线围绕的定子32的细节。

图7与图2中的设计精确地相应，其中，制动磁体46以其全部表面都位于壳体侧面48上。

图8示出了其中定子32在制动磁体46的区域中包括凹入部52的实施方式，所述凹入部垂直于闭合磁回路M1的磁通量。由于此凹入部52，制动磁体46可以设计为更弱，因为壳体部分38更容易实现其饱和磁化。

凹入部52设置在定子32的主体40中并且在示出的示例性实施方式中延伸到主体40的厚度的大约一半。此厚度限定为相对于转子34的旋转轴D在径向方向中的主体40的材料厚度。

如在图9的实施方式中示出的，要求的饱和磁化可以由于设置在侧面48上的凹入部设计为贯穿狭槽54被进一步减小。因此，狭槽54在主体40的整个厚度上延伸，并且由此在两个主体部分40a、40b之间产生间隙，此间隙同样地垂直于磁回路M1的磁通量。

在此实施方式中，电机20，尤其是整个定子32由于此未示出的轴承防护件将定子32保持在固定位置中而被稳定。这意味着定子32被夹紧在两个轴承防护件之间并且由此稳定。

图10和图11示出了阀致动器18的其它实施方式。

在根据图10中示出的实施方式的阀致动器18中，通量传导元件50设计为极靴56，由此可以发生制动磁体46的甚至更强或者定向的磁场转换。

在示出的实施方式中，极靴56延伸到定子32中，由此确保了制动器30在定子32上的固定布置。此外，由制动磁体46发出的磁场直接地定向在相邻的线圈保持部分42a、42b上。

在此实施方式中，定子32同样包括狭槽54，此狭槽将制动磁体46布置在其上的侧面48上的主体40分隔。

图11示出了阀致动器18的实施方式，其中，制动器30还包括布置在定子32的相对侧48、58上或者其侧表面上的两个制动磁体46。两个制动磁体46经由相应地分配的通量传导元件50a、50b抵靠侧面48、58。

单个制动磁体46的强度可以由此被再次减小，但是然而可以产生与图2的实施方式相比大小相同的制动力矩。此外，由于制动磁体46在相对侧48、58上的布置，可以产生作用在定子34上的同种制动力矩。

壳体部分38还具有设置在相应侧48、58上的两个狭槽54a、54b，并且由此减小了定子32的饱和磁化。因而，制动磁体46可以设计为甚至更弱以便仍然产生要求的制动力矩。

图12示出了图2中示出的阀致动器18的实施方式并且将在此后用于说明用于控制阀致动器18的方法。

定子的线圈44被控制器致动使得产生与制动磁体46的附加磁场M2抵消的至少一个固定磁场M3、M4。将转子34保持在其制动位置的附加磁场M2通过由线圈44产生的两个固定磁场M3、M4被尽可能多地补偿。当致动电机34时，由于制动磁体产生的转矩波动由此减小并且转子可以一致地启动(图13)。因而，阀元件可以非常细微地移动，因为不需要克服由制动磁体46产生的保持力矩或者仅需要克服由制动磁体46产生的较小的保持动量。

为了产生两个固定磁场M3、M4，如果仅致动四个线圈44a至44d，那么就是足够的。四个线圈44a至44d是附加磁回路M2延伸通过其线圈保持部分42a、42b的这些线圈44a、44b，以及关于旋转轴D与首先涉及的线圈44a、44b直径上对置的线圈44c、44d。

Claims (14)

1.一种用于阀(10)的阀致动器(18)，其具有包括转子(34)与定子(32)的电机(20)，并且具有带有用于将所述转子(34)保持在制动位置中的至少一个制动磁体(46)的磁性制动器(30)，其中至少一个转子磁体(36)布置在所述转子(34)上并且与所述制动器(30)配合，所述制动磁体与所述定子形成磁回路，所述定子被所述制动磁体磁化直到所述定子饱和磁化，使得所述定子自身是从所述制动磁体发出的磁回路的一部分，并且其中，不促进所述定子的饱和的剩余磁场线与所述至少一个转子磁体相互作用以将所述转子保持在其制动位置处。

2.根据权利要求1所述的阀致动器(18)，其特征在于，所述制动器(30)与所述定子(32)形成磁回路。

3.根据权利要求1所述的阀致动器(18)，其特征在于，所述制动磁体(46)相对于所述定子(32)的设计和/或材料是强的以使得所述定子(32)实现其饱和磁化。

4.根据权利要求1所述的阀致动器(18)，其特征在于，所述至少一个制动磁体(46)与所述定子(32)的侧表面相关。

5.根据权利要求4所述的阀致动器(18)，其特征在于，在其侧表面与所述制动磁体(46)相关的所述定子(32)的侧面(48，58)上设有至少一个凹入部(52)。

6.根据权利要求1所述的阀致动器(18)，其特征在于，所述制动致动器(30)包括两个制动磁体(46)。

7.根据权利要求1所述的阀致动器(18)，其特征在于，所述制动器(30)包括至少一个通量传导元件(50)。

8.根据权利要求1所述的阀致动器(18)，其特征在于，所述制动器(30)包括至少一个极靴(56)。

9.根据权利要求1所述的阀致动器(18)，其特征在于，所述制动磁体(46)设计为永磁体。

10.一种具有根据上述权利要求中任一项所述的阀致动器(18)的阀(10)，所述阀包括：入口，介质经由其流动到所述阀中；出口，介质能够经由其离开所述阀；以及在所述入口与所述出口之间的流动路径，其中设有与阀座配合以便影响流速的阀元件。

11.根据权利要求10所述的阀(10)，其特征在于，所述制动磁体与所述定子形成磁回路，所述定子被所述制动磁体磁化直到所述定子饱和磁化，使得所述定子自身是从所述制动磁体发出的磁回路的一部分，并且其中，不促进所述定子的饱和的剩余磁场线与所述至少一个转子磁体相互作用以将所述转子保持在其制动位置处。

12.一种用于控制根据权利要求1所述的用于阀(10)的阀致动器(18)的方法，所述阀致动器包括电机(20)与磁性制动器(30)，其中，当启动时，控制或调节所述电机(20)，使得所述电机(20)产生至少一个磁场(M3，M4)。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述至少一个磁场是使所述磁性制动器(30)的磁场(M1、M2)弱化的至少一个固定磁场。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述至少一个磁场是使所述磁性制动器(30)的附加磁场(M2)弱化的至少一个固定磁场。