CN106257651A - 电致动器 - Google Patents

Abstract

一种电致动器，其用于驱动阀门元件以控制流体的流动。电致动器包括具有密封腔体的外壳元件、与阀门元件机械耦合的齿轮箱、与齿轮箱机械耦合的马达及电子模组。电子模组用于控制马达的旋转。密封腔体充满绝缘液体，马达、齿轮箱及电子模组设置于密封腔体内并浸入绝缘液体中。

Description

电致动器

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种电致动器。

背景技术

目前，大部分的石油和天然气开采是在深度为1000米的近海海域进行。由于渐增的能源需求，近海油气开采正移进更深水域，例如3000米的海底。在目前的海底油气开发中，电致动器中的功率电子部件设置于容器内。为了确保容器的内部压力大致等于1个标准大气压的海水压力，也即为了使得该等功率电子部件在上述较小的内部压力条件下通电工作，容器的壁厚需要增大以抵抗很大的内外压力差。然而容器的壁厚增大将导致电致动器的散热性能很差，可能导致该等功率电子部件损坏，因而降低了电致动器的可靠性。另外，外壳元件的壁厚增大还会导致电致动器的体积变得庞大以及重量增加，这对于电致动器安装于海底是不利的。

另外，容器上需要设置穿透器(英文名称为：penetrator)以供外部电源传输线及信号传输线穿过并进入到容器内部，从而分别实现对电致动器的供电和控制。为了实现容器的内部空间与海洋环境的隔离，需要对穿透器进行密封，在一种非限定的示例中，可通过密封胶来实现对穿透器的密封。由于容器的内外压力差很大，上述较大的内外压力差作用于密封胶上，容易导致密封胶损坏，因而增大了对穿透器进行密封的难度。

发明内容

现在归纳本发明的一个或多个方面以便于本发明的基本理解，其中该归纳并不是本发明的扩展性纵览，且并非旨在标识本发明的某些要素，也并非旨在划出其范围。相反，该归纳的主要目的是在下文呈现更详细的描述之前用简化形式呈现本发明的一些概念。

本发明的一个方面，在于提供一种电致动器，其用于驱动阀门元件以控制流体的流动，该电致动器包括：

具有密封腔体的外壳元件；

齿轮箱，其与阀门元件机械耦合；

马达，其与齿轮箱机械耦合；及

电子模组，其用于控制马达的旋转；

其中，该密封腔体充满绝缘液体，该马达、齿轮箱及电子模组设置于密封腔体内并浸入绝缘液体中。

较佳地，在上述电致动器中，该绝缘液体用于将电致动器通电工作时产生的热量导向海水。

较佳地，在上述电致动器中，该电致动器还包括柔性单元，该柔性单元通过外壳元件上开设的开口与密封腔体流体相通；当外壳元件的外部压力与内部压力之间的压力差大于预定压力差时，柔性单元的体积减小，使得绝缘液体从柔性单元进入密封腔体。

本发明的另一个方面，在于提供一种电致动器，其包括：

具有密封腔体的外壳元件；及

电子模组，其用于控制马达的旋转；

其中，该密封腔体充满绝缘液体，该电子模组设置于密封腔体内并浸入绝缘液体中。

本发明实施方式提供的电致动器，当外壳元件的外部压力和内部压力之间具有压力差时，可以通过补偿绝缘液体的体积变化的方式，使得外壳元件的内外压力达到平衡；一个方面，由于外壳元件的内外压力差相对于现有技术较小，外壳元件的壁厚可以较小，因此电致动器的体积较小、重量变轻、散热较好。另外一个方面，由于外壳元件的内外压力差较小，因此降低了穿透器密封的难度。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1为本发明第一种实施方式的电致动器的示意图。

图2为本发明第一种实施方式的电致动器的局部示意图。

图3为本发明第二种实施方式的电致动器的局部示意图。

图4为本发明第一种实施方式的电致动器的电路图。

图5为本发明一种实施方式的功率变换器的电路图。

图6为本发明一种实施方式中半导体开关封装结构的示意图。

图7为本发明第二种实施方式的电致动器的电路图。

图8为本发明第二种实施方式的电致动器的示意图。

具体实施方式

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。

请参阅图1，其为本发明第一种实施方式的电致动器200的示意图。电致动器200与阀门元件900机械耦合，电致动器200用于驱动阀门元件900以控制流体的流动。在一些实施例中，电致动器200应用于海底采油树系统(英文名称为：subsea X-tree system，图未示)中，电致动器200用于驱动阀门元件900以控制管道902中流体(例如石油、天然气等)的流动。作为一个非限定的例子，阀门元件900可包括本领域中已知用于控制流动路径中流体流动的闸阀(gate valve)、球阀(ball valve)或其它阀门元件。

电致动器200包括外壳元件202、电子模组204、马达205及齿轮箱206。作为一个非限定的例子，外壳元件202由不锈钢或复合材料制成，复合材料可以例如是碳纤维。

齿轮箱206与阀门元件900机械耦合，马达205与齿轮箱206机械耦合，电子模组204与马达205电性耦合。

电致动器200还包括穿透器240、电源接口250及信号接口260。穿透器240设置于外壳元件202上，电源接口250穿过穿透器240延伸到密封腔体212内，以与电子模组204电性耦合。信号接口260穿过穿透器240延伸到密封腔体212内，以与电子模组204电性耦合。

在此需要说明的是，图1仅介绍电致动器200的结构，后续图4及图5中将具体描述电致动器200的电路工作原理。

外壳元件202具有密封腔体212。密封腔体212充满绝缘液体90，电子模组204、马达205及齿轮箱206设置于密封腔体212内并浸入绝缘液体90中。绝缘液体90用于实现电绝缘及冷却的功能。在一个非限定的示例中，绝缘液体90包括但不限于硅油、矿物油(mineral oils)、合成油(synthetic oils)及有机脂(organic esters)。绝缘液体90用于将电致动器200通电工作时产生的热量导向海水。

在其他的实施例中，仅有电子模组204设置于密封腔体212内并浸入绝缘液体90中，齿轮箱206和马达205均未设置于密封腔体212内；此时电子模组204可通过额外的接口穿过穿透器240以与位于密封腔体212外部的马达205电性耦合。

在图1所示本实施例中，当外壳元件202的内外压力差发生变化时，外壳元件202的体积被改变以用于补偿绝缘液体90的体积变化，使得外壳元件202的内外压力保持平衡，其理由在下面图2的描述中具体解释。

具体地，图2为本发明第一种实施方式的电致动器200的局部示意图。在图2中，电致动器200还包括柔性件902，柔性件902设置于外壳元件202上。在非限定的示例中，柔性件902可以由金属或其他可以发生形变的材料制成。金属可以是质地偏软的金属，容易发生形变。其他材料可以是复合材料，例如塑料。

当电致动器200处于海底的高压力环境(例如当电致动器200处于3000米的海底时，外壳元件202的外部海水压力相当于300个大气压)时，外壳元件202的内外压力差会增加到大于预定压力差，柔性件902的体积减小，柔性件902发生形变以减小外壳元件202的体积。又由于绝缘液体90在高压力环境下可以提供1％-2％的形变量，因此，外壳元件202的内部空间所充满的绝缘液体90处于压缩状态，使得外壳元件202的内部压力适当增大；可以抵抗外壳元件202的外部海水压力，使得外壳元件202的内外压力达到平衡。

具体地，图3为本发明第二种实施方式的电致动器200的局部示意图。在图3中，电致动器200还包括柔性单元904，外壳元件202开设有开口222，柔性单元904通过开口222与密封腔体212流体相通。在非限定的示例中，柔性单元904可由金属制成。金属可以是质地偏软的金属，容易发生形变。

当外壳元件202的内外压力差大于预定压力差时，柔性单元904的体积减小，使得绝缘液体90从柔性单元904进入密封腔体212，使得密封腔体212内的绝缘液体90被压缩，从而可以抵抗外壳元件202的外部海水压力，使得外壳元件202的内外压力达到平衡。

进一步地，电致动器200还包括传感器模组208。传感器模组208设置于密封腔体212内并浸入绝缘液体90中。

请参阅图4，其为本发明第一种实施方式的电致动器的电路图。在图4中，电子模组204包括功率变换器214，功率变换器214与马达205、电源接口250及信号接口260电性耦合，信号接口260与位于密封腔体212外部的控制器224电性耦合。传感器模组208与马达205及信号接口260电性耦合。

在本实施例中，功率变换器214为DC-AC变换器或AC-DC-AC变换器等，相对应地，马达205为交流马达。在其他实施例中，功率变换器214为AC-DC变换器或DC-AC-DC变换器等，相对应地，马达205为直流马达。

功率变换器214用于通过电源接口250接收直流电能或交流电能350，并通过信号接口260接收来自控制器224的控制信号324。在控制信号324的控制下，功率变换器214提供可变频率、可变幅值的交流电能314至马达205，从而可以控制马达205的旋转。

传感器模组208用于提供与阀门元件900相关联的位置反馈信号，该位置反馈信号通过信号接口260被传送至控制器224，该控制器224根据该位置反馈信号产生上述控制信号324。也即控制器224可根据该位置反馈信号控制功率变换器214的运作，进而控制马达205及齿轮箱206的运作，最终使得阀门元件900移动至期望位置。

进一步，传感器模组208还用于侦测绝缘液体90的温度，代表侦测温度的反馈信号通过信号接口260被传送至控制器224，从而控制器还用于在侦测温度大于阈值温度时控制功率变换器214输出减小的交流电能。以使得功率变换器214、马达205及齿轮箱206降额运行，从而降低了电致动器200产生的热量，也即降低了绝缘液体90的温度。

根据上面的描述可知，电子模组204设置于密封腔体212中并浸入绝缘液体90中。由于外壳元件202的内外压力平衡，电子模组204用于在预定压力下通电工作，该预定压力差大致等于外壳元件202的外部压力。在一个非限定的示例中，电子模组204需要承受相当于300个大气压(300bar)的海水压力；也即功率变换器214需要在大致等于300个大气压(300bar)的海水压力下通电工作。

如5所示，以功率变换器214为DC-AC变换器举例说明，功率变换器214包括6个半导体开关S1、S2、S3、S4、S5及S6，半导体开关S1、S2串联连接以形成功率变换器214的第一个桥臂电路(英文名称为leg circuit)，半导体开关S3、S4串联连接以形成功率变换器214的第二个桥臂电路，半导体开关S5、S6串联连接以形成功率变换器214的第三个桥臂电路。

在非限定的示例中，半导体开关S1、S2、S3、S4、S5及S6中的每一者可以是绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)等。

以下部分解释功率变换器214可在大致等于300个大气压(300bar)的外部海水压力下通电工作的原因。

请参阅图6，其示出了一种半导体开关封装结构100的示意图。半导体开关封装结构100包括第一电源连接板10、多个导电顶板12、多个半导体芯片14、导电基板15、第二电源连接板16及电绝缘外壳元件18。

在此需要说明的是，虽然图1中显示多个导电顶板12及多个半导体芯片14的数量均为三个，但是在非限定示例中，多个导电顶板12及多个半导体芯片14的数量均可以是二个或三个以上。

第一电源连接板10具有多个凸出部102。同样地，虽然图1中显示多个凸出部102的数量为三个，但是在非限定示例中，多个凸出部102的数量均可以是二个或三个以上。

多个导电顶板12分别与多个凸出部102电性接触。

多个半导体芯片14设置于导电基板15上。多个半导体芯片14分别与多个导电顶板12接触。在非限定的实施例中，每个半导体芯片14包括第一电极及第二电极，第一电极与对应的导电顶板12电性耦合，第二电极与导电基板15电性耦合。在一种实施方式中，每个导电顶板12及导电基板15均是由铜制成的。

第二电源连接板16与导电基板15电性接触。

电绝缘外壳元件18用于将第一电源连接板12及第二电源连接板16结合在一起。电绝缘外壳元件18开设有两个开口180、182。在其他实施方式中，电绝缘外壳元件18仅开设有一个开口。

两个开口180、182与柔性管25流体相通。在一种非限定的应用示例中，半导体开关封装结构100应用于海底采油树系统中，该海底的深度可以是3000米，相对应地半导体开关封装结构100需要承受相当于300个大气压的海水压力。

半导体开关封装结构100的内部空间充满绝缘液体90。

当半导体开关封装结构100的内外压力差发生变化时，柔性管25的体积被改变以用于补偿绝缘液体90的体积变化，使得半导体开关封装结构100的内外压力保持平衡。

具体地，当半导体开关封装结构100处于海底的高压力环境(例如处于3000米的海底，相对应的需要承受相当于300个大气压的海水压力)时，半导体模块25的内外压力差大于预定压力差，柔性管25的体积减小，使得绝缘液体90从柔性管25进入半导体开关封装结构100的内部空间。又由于绝缘液体90在高压力环境下可以提供1％-2％的形变量，因此，半导体开关封装结构100的内部空间所充满的绝缘液体90处于压缩状态，使得半导体开关封装结构100的内部压力适当增大；可以抵抗半导体开关封装结构100的外部压力，使得半导体开关封装结构100的内外压力达到平衡。这样可以避免设置于导电顶板12与导电基板15之间的半导体芯片14由于压力过大而损坏。

进一步地，在非限定的实施例中，半导体开关封装结构100还包括多个弹簧20、栅极电路板22及绝缘层24。在此需要说明的是，虽然图1中显示多个弹簧20的数量是三个，但是在非限定示例中，多个弹簧20的数量可以是二个或三个以上。另外，弹簧20的数量还可以是一个。

每个半导体芯片14还包括第三电极。在此需要说明的是，第一电极与第三电极之间是非电性连接的，也即绝缘的。

多个弹簧20中的每个弹簧20电性接触于栅极电路板22与相应的半导体芯片14的第三电极之间，绝缘层24设置于第一电源连接板10与栅极电路板22之间。在一个非限定的示例中，绝缘层24通过绝缘螺丝固定于第一电源连接板10上。

多个弹簧20的主要作用是起导电作用，也即每个弹簧20将栅极电路板22与相应的半导体芯片14的第三电极电性连接。多个弹簧20的辅助作用是对栅极电路板22起支撑作用。

在一个非限定的示例中，多个导电顶板12、多个半导体芯片14、导电基板15、多个弹簧20、栅极电路板22及绝缘层24设置于第一电源连接板10与第二电源连接板16之间，导电基板15、每个半导体芯片14及相应的导电顶板12在从第二电源连接板16到第一电源连接板10的方向上依次排列。

在非限定的实施例中，每个半导体芯片14可以是绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)或者金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)等。每个半导体芯片14以IGBT为例进行说明，第三电极可为栅极，第一电极可为集电极，第二电极可为发射极。当第一电源连接板10连接正极电压，第二电源连接板16连接负极电压，以及栅极电路板22给每个半导体芯片14的第三电极提供栅极驱动电压(也即半导体开关封装结构100通电工作)时，每个半导体芯片14呈导通状态。

进一步地，半导体开关封装结构100还包括多个第一接合层(first adhesivelayer)145及多个第二接合层146。在非限定的示例中，每个第一接合层145及每个第二接合层146均为焊锡。在此需要说明的是，虽然图1中显示多个第一接合层145及多个第二接合层146的数量均为三个，但是在非限定示例中，多个第一接合层145及多个第二接合层146的数量均可以是二个或三个以上。

每个第一接合层145设置于相应的半导体芯片14与相应的导电顶板12之间，以提高两者之间的电连接性能。

每个第二接合层146设置于导电基板15与相应的半导体芯片14之间，以提高两者之间的电连接性能。

图5所示功率变换器214中的半导体开关S1、S2、S3、S4、S5及S6均可以采用图6所示半导体开关封装结构100进行封装，因此确保功率变换器214在通电工作时可以承受预定压力差，该预定压力差大致等于外壳元件的外部压力。在一个具体实施例中，功率变换器214可在相当于300bar的海水压力下通电工作。

请参阅图7，其为本发明第二种实施方式的电致动器的电路图。图7与图4的区别是：图7所示电子模组204与图4所示电子模组204不同，图7所示电子模组204包括功率变换器214和控制器224，也即功率变换器214和控制器224均设置于密封腔体212中并浸入绝缘液体90中。在一个非限定的示例中，电子模组204需要承受相当于300个大气压(300bar)的海水压力；也即功率变换器214和控制器224均需要在大致等于300个大气压(300bar)的海水压力下通电工作。为了满足该等条件，需要重新设计控制器224。例如现有/公知控制器中可能包括电解电容，该电解电容由于有气隙导致在300bar的压力下损坏，现有/公知控制器中的芯片由于有空隙导致在300bar的压力下损坏，现有/公知控制器中的电子元件之间的光耦信号传输线也会在300bar的压力下损坏。

因此，重新设计控制器224的方法可以是重新设计或替换控制器224中的电子元件，使得该等电子元件可以耐高压。具体地，重新设计控制器224的方法可包括：将现有/公知控制器中的电解电容替换成膜电容或者钽电容，将现有/公知控制器中的电子元件之间的光耦信号传输线替换成电磁耦合信号传输线，用填充物(例如硅胶等)填充芯片内部的空隙等。

请参阅图8，其为本发明第二种实施方式的电致动器300的示意图。图8所示电致动器300与图1所示电致动器200的区别是：图8所示电致动器300包括双通道电子模组304、双通道马达305、双通道齿轮箱306、双通道传感器模组308、两个电源接口252、254及两个信号接口262、264。

两个电源接口252、254及两个信号接口262、264穿过穿透器240与双通道电子模组304电性耦合，如此可以实现电致动器300的冗余，提高电致动器300的可靠性。

在其他实施例中，图8所示电致动器300可以包括N+1个电子模组304、N+1个马达305、N+1个齿轮箱306、N+1个传感器模组308、N+1个电源接口250及N+1个信号接口260。N+1个电子模组304分别与N+1个马达305电性耦合，N+1个马达305分别与N+1个齿轮箱306机械耦合，N+1个齿轮箱306与阀门元件900机械耦合，如此也可以实现电致动器300的冗余，进一步地提高电致动器300的可靠性。可以理解的是，在可选择的实施例中，阀门元件900的数量可以为两个或者两个以上。

N+1个电源接口250及N+1个信号接口260穿过穿透器240分别与N+1个电子模组304电性耦合。在一个可选择的实施例中，电致动器200可包括两个或两个以上的穿透器240。

在本发明之上述实施方式中，由于外壳元件202的内外压力保持平衡，一个方面，外壳元件202的壁厚可以较小，因此电致动器200、300的体积较小、重量变轻、散热较好。另外一个方面，由于外壳元件202的内外压力保持平衡，穿透器240可以承受较小的压力差，因而降低了穿透器240密封的难度。

虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (15)

1.一种电致动器，其用于驱动阀门元件以控制流体的流动，该电致动器包括：

具有密封腔体的外壳元件；

齿轮箱，其与阀门元件机械耦合；

马达，其与齿轮箱机械耦合；及

电子模组，其用于控制马达的旋转；

其中，该密封腔体充满绝缘液体，该马达、齿轮箱及电子模组设置于密封腔体内并浸入绝缘液体中。

2.如权利要求1所述的电致动器，其特征在于：该电子模组用于在预定压力下通电工作，该预定压力差大致等于外壳元件的外部压力。

3.如权利要求2所述的电致动器，其特征在于：该电子模组包括功率变换器，该功率变换器用于提供可变频率、可变幅值的交流电能至马达。

4.如权利要求3所述的电致动器，其特征在于：该电致动器还包括设置于密封腔体内的传感器模组，该传感器模组用于提供与阀门元件相关联的位置反馈信号；

该电子模组还包括控制器，该控制器用于根据该位置反馈信号控制功率变换器的运作，使得阀门元件移动至期望位置。

5.如权利要求4所述的电致动器，其特征在于：该传感器模组还用于侦测绝缘液体的温度，该控制器还用于在侦测温度大于阈值温度时控制功率变换器输出减小的交流电能。

6.如权利要求1所述的电致动器，其特征在于：当外壳元件的内外压力差发生变化时，该外壳元件的体积被改变以用于补偿绝缘液体的体积变化，使得外壳元件的内外压力保持平衡。

7.如权利要求6所述的电致动器，其特征在于：该电致动器还包括设置于外壳元件上的柔性件，当外壳元件的内外压力差大于预定压力差时，该柔性件发生形变以减小外壳元件的体积；

或者该电致动器还包括柔性单元，该柔性单元通过外壳元件上开设的开口与密封腔体流体相通，当外壳元件的内外压力差大于预定压力差时，该柔性单元的体积减小，使得绝缘液体从柔性单元进入密封腔体。

8.如权利要求1所述的电致动器，其特征在于，该电致动器还包括：

至少一个穿透器，其设置于外壳元件上；

至少一个电源接口；及

至少一个信号接口；

其中，该至少一个电源接口穿过该至少一个穿透器延伸到密封腔体内，以与电子模组电性耦合；该至少一个信号接口穿过该至少一个穿透器延伸到密封腔体内，以与电子模组电性耦合。

9.如权利要求1所述的电致动器，其特征在于：该电子模组包括N+1个电子模组，该马达包括N+1个马达，该齿轮箱包括N+1个齿轮箱。

10.如权利要求9所述的电致动器，其特征在于，该电致动器还包括：

至少一个穿透器，其设置于外壳元件上；

N+1个电源接口；及

N+1个信号接口；

其中，该N+1个电源接口用于穿过该至少一个穿透器延伸到密封腔体内，以分别与N+1个电子模组电性耦合；该N+1个信号接口用于穿过该至少一个穿透器延伸到密封腔体内，以分别与N+1个电子模组电性耦合。

11.一种电致动器，其包括：

具有密封腔体的外壳元件；及

电子模组，其用于控制马达的旋转；

其中，该密封腔体充满绝缘液体，该电子模组设置于密封腔体内并浸入绝缘液体中。

12.如权利要求11所述的电致动器，其特征在于：该电子模组用于在预定压力下通电工作，该预定压力差大致等于外壳元件的外部压力。

13.如权利要求12所述的电致动器，其特征在于：该电子模组包括功率变换器，该功率变换器用于提供可变频率、可变幅值的交流电能至马达。

14.如权利要求11所述的电致动器，其特征在于：当外壳元件的内外压力差或者绝缘液体的温度发生变化时，该外壳元件的体积被改变以用于补偿绝缘液体的体积变化。

15.如权利要求12所述的电致动器，其特征在于，该电致动器还包括：

齿轮箱，其与用于控制流体流动的阀门元件机械耦合；及

马达，其与齿轮箱机械耦合；

其中，该马达、齿轮箱及电子模组设置于密封腔体内并浸入绝缘液体中。