CN1094576C - 电动式调节阀驱动用直线运动执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种电动式调节阀驱动用直线运动执行机构，该机构具有向量控制的交流感应电动机8、与电动机轴8A连结的行星齿轮装置9、用蜗轮装置16能手动旋转行星齿轮装置的内齿齿轮13C的手动操作装置和将行星齿轮装置9的输出转矩传动到阀杆的推进力变换器11。

Description

电动式调节阀驱动用直线运动执行机构

本发明涉及高精度地调整企业用锅炉等的高压流体流量、压力等中适用的调节阀驱动用直线运动执行机构。

以往，作为用行星齿轮减速装置的阀驱动用直线运动执行机构，如在特开平2-35284号公报中所述的“阀致动装置”已有建议。这种以往技术是必需具备在手动操作输入轴和电动操作输入轴与各自的行星齿轮装置间具有不可逆旋转性(自动锁紧)的蜗轮装置的阀动作装置。

高精度地调整企业用锅炉等的高压流体流量、压力等中适用的调节阀，通常使用线性调节阀体位置、增减流体控制面积的球阀或者角阀。此外，因为是调节阀，当然阀轴中总是有伴随流体压力变化的不平衡力作用，为了经常正确跟踪输入信号，使阀体的位置不受伴随这种流体压力变动的不平衡力的影响，在执行机构一侧必须总是确保对抗这种不平衡力的反作用力。为了提高企业用锅炉等的能效，还必须尽量减少传动驱动源所要的能量。此外，为了缩短锅炉的起动、停止时间，调节阀的执行机构要具备快速动作功能等非常高的响应性。

然而，在前述以往的技术中，因电机不能总是产生对抗伴随流体压力变化的不平衡力的转矩，应当在电机轴的这边隔断该不平衡力，必须做成在电动操作输入轴和行星齿轮装置间配备如前所述的自动锁紧的蜗轮装置。

因此，(1)蜗轮装置中例如0.3那样非常低的机械传送效率增大了执行机构整体的机械损耗，使设备的能效劣化。而且，(2)相同蜗轮装置中不可逆旋转性(自动锁紧)的成立条件用tanρ＝μ/cosα_n时λ≤ρ定义，因而蜗轮的超前角受到限制(例如，在通常的蜗轮装置中，α_n是20度，μ在动作时和振动下动摩擦系数是静摩擦系数的约1/2(约0.07)，所以ρ＝4.26度，因此λ≤4.26度)，其结果阀驱动装置的减速比变成大到超过需要。为此，执行机构的响应性非常差，不能适应为缩短锅炉的起动、停止时间的快速动作。这里，ρ是蜗轮的摩擦角，μ是摩擦系数，α_n是齿轮直角压力角，λ是超前角。

再者，在前述以往技术中，对于调节阀维护时频繁使用的手柄人工操作，因行星齿轮仅用通常的一级减速结构，再加上蜗轮装置的自动锁紧条件，手柄的总旋转数很多，操作性非常差。

本发明的第一个目的是对于调节阀在执行机构侧总是确保抗拒伴随流体压力变化的不平衡力的反作用力，阀体的位置总是正确地跟踪输入信号，在能高精度地调整流体的流量、压力等的同时，尽量降低执行机构驱动源所需要的能量，并且确保执行机构快速动作功能等的高响应性。

本发明的第二个目的是提供一种电动操作时的减速比在用一级行星齿轮不足的场合，不必另外设置体积大的齿轮系，并且手柄人工操作时所需旋转数较少、操作性良好的小型执行机构。

本发明的电动机驱动的电动式调节阀驱动用直线运行执行机构，包括

按向量控制方式进行速度控制的交流感应电动机，

由与所述电动机轴连结的中心齿轮、可围绕中心齿轮旋转的行星齿轮、与行星齿轮在外侧啮合的内齿齿轮所组成的行星齿轮装置，

变换所述行星齿轮装置的输出转矩为推进力并传动到阀杆的推进力变换器，

还包括能用蜗轮装置手动旋转所述行星齿轮装置的内齿齿轮的手动操作装置，

所述行星齿轮装置由多级行星齿轮系组成，在连结各级行星齿轮系成为前级行星齿轮载体连结到后级中心齿轮的同时，使所述各级的行星齿轮啮合到公共的内齿齿轮。

所述推进力变换器，由传动所述行星齿轮装置的输出转矩到推进轴的园头螺栓和推进轴旋转止动楔组成。

由前述的本发明，可有后述(1)-(5)的作用。

(1)电动操作时，由于利用手动操作侧的蜗轮装置锁定行星齿轮装置的内齿齿轮，所以与电机轴联机的中心齿轮使行星齿轮公转，其结果，减速后的转矩由推进力变换器变换成推进力并传动到阀杆。

这时，伴随流体压力变化的不平衡力，因电机由向量控制方式进行速度控制，可控制电机转矩，使电机的实际旋转数(包含电机平衡停止时)经常与平衡阀体当前位置和指令信号的偏差的速度指令相一致。也就是说，电机转矩总是与流体的不平衡力相平衡，所以不用在电机轴和行星齿轮装置间加装诸如蜗轮装置等，而使阀体的位置总是正确地跟踪输入信号，能高精度地调整流体的流量、压力。

(2)因在电机轴和行星齿轮装置间不必加装例如0.3那样机械传送效率非常差的蜗轮装置，所以执行机构整体的机械损耗非常小，因此，能提高设备的能效。

(3)因在电机轴和行星齿轮装置间不必加装蜗轮装置，基于不可逆旋转性成立条件的蜗轮超前角也不受限制，所以不必增大执行机构的减速比到超过需要，因此，对于要求为缩短锅炉的起动、停止时间的快速动作功能等非常高的响应性，能充分适应。

(4)手动操作时，因电机侧的电源通常关闭，所以电机内的电磁制动器为无激磁并约束电机轴。因此，由手柄操作，通过蜗轮装置旋转内齿齿轮时，首先用前级的行星齿轮作为中心型(中心齿轮固定，驱动内齿齿轮时的行星齿轮减速机构)进行减速，用后级的中心齿轮作为行星型(内齿齿轮固定，驱动中心齿轮的通常的行星齿轮减速机构)传送转矩的同时，用中心型驱动后级的行星齿轮。也就是说，在后级的行星齿轮装置中，因用行星型+中心型驱动，所以后级行星齿轮载体的旋转数，比仅有一级的场合当然增速。

这种多级行星齿轮系的举动，恰似在自动扶梯上步行登高的样子，因用较少的手柄旋转数使阀体位置变化，所以能大幅度地减轻手柄操作。也就是说，能构成手柄操作时的必要旋转数比较少且操作性良好的小型执行机构。

(5)由于推进力变换器由园头螺栓和止动楔组成，能使执行机构的机械传送效率更加提高。

图1是表示本发明适用的调节阀的一实施例的模式图。

图2是表示图1中执行机构结构的模式图。

图3是表示图1中阀杆连结结构的模式图。

图4是电动机的向量控制方块图。

图5是推进力检测系统方块图。

下面参照附图，基于实施例对本发明加以说明。

如图1所示，调节阀100具有包括入口通路1，出口通路2和阀室3的箱体4、在箱体4的阀室3上形成的阀座5、支持成能在箱体4内移动且配备阀体6的阀杆7。

此外，调节阀100的执行机构101，在执行机构罩101A里有作为驱动装置的AC伺服电机(交流感应电动机)8。电机8通过行星齿轮装置9、正齿轮减速装置10和推进力变换器11与阀杆7连结，驱动阀杆7使阀体6对阀座5离合，以调节阀开度。又，前述行星齿轮装置9上连结手动操作装置12。

行星齿轮装置9，由第一级(前级)和第二级(后级)共两级行星齿轮系13、14构成。第一级行星齿轮系13，由与电机轴8A连结的中心齿轮13A、能围绕中心齿轮13A旋转的行星齿轮13B和与行星齿轮13B外侧啮合的内齿齿轮13C组成。第二级行星齿轮系14，由与第一级行星齿轮载体13D连结的中心齿轮14A、能围绕中心齿轮14A旋转的行星齿轮14B和与行星齿轮14B外侧啮合且与前述第一级行星齿轮系13公用的内齿齿轮13C组成。而且，第二级行星齿轮载体14D与输出轴14E连结。

又，内齿齿轮13C在执行机构罩101A中通过滚珠轴承15支承得能旋转的同时，紧固连接构成手动操作装置12的蜗轮装置16的蜗轮16A。手动操作装置12在执行机构罩101A中支承蜗轮装置16的蜗杆16B，在该蜗轮16B上连结手动操作柄16C。由此，内齿齿轮13C在执行机构101电动操作时利用蜗轮装置16锁定，在执行机构101的手动操作时利用蜗轮装置16使其旋转。

正齿轮减速装置10，由小齿轮17A和大齿轮17B的啮合构成，小齿轮17A紧固在行星齿轮装置9的前述输出轴14E上，大齿轮17B通过滚柱轴承18支承在执行机构罩101A中。

推进力变换器11，变换行星齿轮装置9的输出转矩为推进力并传动到阀杆7。推进变换器11具有相互螺合的园头螺栓(园头螺母)19A和推进轴19B。园头螺栓19A紧固在前述正齿轮减速装置10的大齿轮17B上，与大齿轮17B一体地旋转并传递行星齿轮装置9的输出转矩到推进轴19B。推进轴19B径向贯通带滚柱的旋转制动楔19C，将此旋转制动楔19C卡合在执行机构罩101A中设置的楔沟19D内，作直线运动。而且在推进轴19B的下端部连结阀杆7。

又，阀杆7分成与推进力变换器11的推进轴19B结合的上阀杆23、具备阀体6的下阀杆24、固定在上阀杆23的下端部的紧定套25和固定在下阀杆24的上端部且与紧定套25轴向结合的联轴器26等部分。

此外，调节阀100在座架27A上配备通过耦合链传送下阀杆24的轴向移动量，使其变换成电气信号的差动变压器系统等组成的开度发送器27，能检测阀开度。

此外，调节阀100在电机8中具备编码器28，能检测电机8的旋转量。

此外，调节阀100具备检测作用到阀杆7的推进力的推进力检测器29。推进力检测器29，由在紧定套25中所设小直径部25A(如图3所示)贴成惠斯登电桥状的应变片堆30构成。如图5所示，应变片堆30上连结电源电路30A，其输出经放大器30B传送到后述的推进力判断器36。在图3中，31是防水连接器。

又，调节阀100在阀杆7的伸长方向如图3所示的卡合部32A、32B中能卡合紧定套25和联轴器26的状态下，在两者之间加装盘状弹簧(缓冲装置)32。

此外，调节阀100在电机8中配备电磁制动器(制动装置)33，能制动电机8的控制停止时的空转。

再者，调节阀100如图4所示，在具备控制装置34的同时，具备在该控制装置34中附带的转矩判断器35和推进力判断器36。

控制装置34，通过放大器37将指令阀开度K。和开度发送器27传送来的当前阀开度K传送到速度指令运算电路38。在速度指令运算电路38中，运算对应于两开度的偏差K_e的开速度指令OV₀或者闭速度指令CV₀。在速度指令运算电路38运算所得的开闭速度指令OV₀、CV₀通过接口39传送到AC伺服放大器40。

另一方面，控制装置34，将编码器28的输出信号传送到AC伺服放大器40的速度运算电路41，运算实际的电机旋转速度V。

AC伺服放大器40，从前述开闭速度指令OV₀、CV₀和实际的电机旋转速度V求出速度偏差V_e，在转矩指令运算电路42中运算对应于前述偏差V_e的转矩指令I_t(电流值)。前述转矩指令I_t传送到向量运算电路43，向量运算电路43，如电机8输出前述指令转矩I_t那样，以向量控制方式运算电机8的初级电流I₁(U相、V相、W相的各电流指令I_u、I_v、I_w)。于是，AC伺服放大器40，求出前述初级电流指令I₁和从电流检测器44转送的当前初级电流I间的电流偏差I_e，在供电控制电路45中将对应于前述电流偏差I_e的电压指令信号E_u、E_v、E_w提供给对应于三相交流各相的功率晶体管46，由此驱动控制电机8。

在向量运算电路43中，接收转矩指令运算电路42中运算的转矩指令I_t、利用速度运算电路41运算的电机旋转角速度ω_m和从AC伺服放大器外部作为初期设定值给予的激磁电流指令I。进行下述(1)-(4)式的运算，根据这些运算结果进而进行下述(5-1)、(5-2)、(5-3)式的运算后，输出作为运算结果的各相的初级电流指令I_u、I_v、I_w。

初级电流的大小I₁＝I₀ ²+I_t ²      ……(1)

相位角Φ＝tan^-1(I_t/I₀)          ……(2)

差频ω_s＝(1/τ)·(I_t/I₀)        ……(3)

输出频率ω_o＝ω_s+ω_m            ……(4)

其中：τ是使用电机的电机常数。

初级电流指令I_u＝I₁sin(ω_ot+Φ)  ……(5-1)

I_v＝I₁sin(ω_ot+Φ-2[]3π)       ……(5-2)

I_w＝I₁sin(ω_ot+Φ-3[]4π)       ……(5-3)

也就是说，在向量运算电路43中，指定转矩指令I_t，在根据(1)-(4)式运算初级电流的大小I₁、初级电流的相位角和差频W_s的同时，检测对应于实际旋转速度的各频率ω_m，用ω_s、ω_m、Φ、I₁从(5-1)-(5-3)式算出三相的初级电流指令I_u、I_v、I_w。

在调节阀100中，最大容许转矩T_max通过接口52传送到向量运算电路43，由此限制电机8的最大输出转矩、安全并且可靠地进行起动和运转。

在调节阀100中，上述转矩判断器35内存储阀关闭转矩、阀运转转矩等数据，转矩判断器35与前述存储数据比较在AC伺服放大器40中运算的电机8的输出转矩，阀关闭时或者发生阀中间开度的异常转矩时，分别将停止电机8的停止信号SV传送到供电控制电路45。

在调节阀100中，利用前述推进力判断器36，在阀关闭状态下推进力检测器29的检测结果表示推进力的变化时，再起动停止控制状态的电机8，根据流体温度变化，以对抗作用于阀杆7的过负载或者低负载的最佳转矩驱动控制电机8。这时，推进力判断器36，传送再起动信号RV到接口39和供电控制电路45。又，因电磁制动器33制动关闭状态的电机8的空转，所以推进力判断器36在电机8的再起动时，切换设定电磁制动器33到无制动状态。又，推进力判断器36，总是监视推进力检测器29的检测结果，由此也能起到AC伺服放大器40的控制电路故障时的后备的作用，能提高调节阀100的可靠性和安全性。

调节阀100在手动侧能切换手动/自动运转切换开关48的状态下，利用加到开操作按钮49和关操作按钮50上的操作，能手动开闭。又，手动运转时的开闭速度能任意地设定。

调节阀100利用加到紧急操作按钮51上的操作，在自动运转、手动运转的任一状态下都能以预先设定的开/闭方向驱动。紧急运转时的开闭速度能任意地设定。

但是，在前述调节阀100中，交流电源(3相200V)61，通过具备断续器62、整流器63和驱动电机18的功率晶体管46用的逆变整流电路64与电机18连结。

接着，调节阀100的向量控制动作，如以下所述。

(1)当指令阀开度K₀和当前阀开度K有偏差时，用速度指令运算电路38，运算两开度的偏差K_e及对应于该偏差K_e的开关速度指令OV₀、CV₀，用AC伺服放大器40的转矩指令运算电路42，运算对应于开闭速度指令OV₀、CV₀与实际的开闭速度V的偏差V_e的转矩指令I_t，进而用AC伺服放大器40的向量运算电路43，运算输出前述转矩指令I_t所需的电机8的初级电流I₁后，用供电控制电路45驱动控制电机8，以供给前述初级电流I₁。由此，电机8驱动阀杆7直至指令阀开度K₀和当前阀开度K的偏差为零。

(2)调节阀100在中间开度的状态下，在指令阀开度K₀和当前阀开度K的偏差为零的场合中，电机8给出与作用于阀杆7的推进力对抗的输出转矩，保持其开度。

(3)指令阀开度为全闭(关断)的场合中，驱动控制电机8直至前述(1)中指令阀开度K₀和当前阀开度K的偏差K_e为零，转矩判断器35判断阀关闭时的AC伺服放大器40的运算转矩与预定的关闭转矩一致后，控制停止电机8且用电磁制动器33制动电机8的空转。

(4)转矩判断器35也存储了阀中间开度时的合适运转转矩，在AC伺服放大器40的运算转矩与前述存储数据不同时，测得异常转矩发生，控制停止电机8且用电磁制动器33制动电机8的空转。

(5)在调节阀100关闭的状态下，阀杆7随阀室内流体的温度变化而热收缩或者热膨胀，所以推进力判断器36，根据推进力检测器29的检测结果，监视阀杆推进力的变化：(a)若阀杆推进力减小，在再起动电机8的同时，电磁制动器33为无制动，关闭调节阀100，(b)若阀杆推进力增加，在再起动电机8的同时，电磁制动器33为无制动，缓和关闭调节阀100，其结果总是给与阀杆7合适的推进力。

下面，对调节阀100的电动操作和手柄人工操作进行说明。

(电动操作)

在电动操作时，由手动操作装置12的蜗轮装置16，将行星齿轮装置9的内齿齿轮13C锁定，所以与电机轴8A直接连结的第一级行星齿轮系13的中心齿轮13A使行星齿轮13B公转，其结果是减速的转矩由第一级行星齿轮载体13D，传导到第二级行星齿轮系14的中心齿轮14A。而且，传导到中心齿轮14A的电机转矩，由第二级行星齿轮系进一步减速后，从与第二级行星齿轮载体14D连结的输出轴14E，通过正齿轮减速装置10，传送到推进力变换器11的园头螺栓19A。园头螺栓19A由旋转止动楔19C和楔沟19D约束旋转，所以传送到该园头螺栓19A的转矩，在这里变换成推进力，在上下方向驱动阀杆7。

(手动操作)

在手动操作时，因电机8侧的电源断开，电机8内的电磁制动器33成为无激磁，约束电机轴8A。因此，由手动操作柄16C，通过蜗轮装置16旋转内齿齿轮13C时，首先在第一级行星齿轮系13中，作为中心型(中心齿轮13A固定，驱动内齿齿轮13C时的行星齿轮减速机构)进行减速，用行星齿轮系14作为行星型(内齿齿轮13C固定，驱动中心齿轮14A的通常的行星齿轮减速机构)传送转矩时，同时用中心型驱动第二级行星齿轮系。也就是说，在第二级行星齿轮系中，用行星型+中心型驱动，所以第二级行星齿轮载体14D的旋转数比只有一级的场合当然增速。因此，在手动操作柄16C的必要旋转数比较地少的同时，能上下方向驱动阀杆7。

下面，对本实施例的作用进行说明。

(1)电动操作时，由于利用手动操作侧的蜗轮装置16锁定行星齿轮装置9的内齿齿轮13C，所以与电机轴8A直接连结的第一级行星齿轮系13的中心齿轮13A使行星齿轮13B公转，其结果是减速后的转矩从第一级行星齿轮载体13D传导到第二级行星齿轮系14，进一步减速后，通过正齿轮减速装置，由推进力变换器11变换成推进力并传动到阀杆7。

这时，伴随流体压力变化的不平衡力，因电机8由向量控制方式进行速度控制，可控制电机转矩，使电机8的实际旋转数(包含电机平衡停止时)经常与平衡阀体6的当前位置和指令信号的偏差的速度指令相一致。也就是说，电机转矩总是与流体的不平衡力相平衡，所以不用在电机轴8和行星齿轮装置9间加装蜗轮装置，而使阀体6的位置总是正确地跟踪输入信号，能高精度地调整流体的流量、压力。

(2)因在电机轴8A和行星齿轮装置9间不必加装例如0.3那样机械传送效率非常差的蜗轮装置，所以执行机构101整体的机械损耗非常小，能提高设备的能效。

(3)因在电机轴8A和行星齿轮装置间不必加装蜗轮16A，基于不可逆旋转性成立条件的蜗轮的超前角也不受限制，所以不必增大执行机构101的减速比到超过需要，因此，对于要求为缩短锅炉的起动、停止时间的快速动作功能等非常高的响应性，能充分地适应。

(4)因用共两级的行星齿轮系13、14构成行星齿轮装置9，所以在手动操作时，用第一级行星齿轮系13作为中心型进行减速，用第二级行星齿轮系14以行星型+中心型进行驱动，如前所述，第二级行星齿轮载体14D的旋转数，比仅有一级的场合当然增速。

这种第二级行星齿轮系14的举动，恰似在自劝扶梯上步行登高的样子，因用较少的手柄旋转数使阀体位置变化，所以能大幅度地减轻手柄操作。

下面，用N_H表示蜗轮16A的旋转数，N₀表示行星齿轮装置9的输出旋转数(输出轴14E的旋转数)，Z₁表示第一级中心齿轮13A的齿数，Z₂表示第二级中心齿轮14A的齿数，Z₃表示内齿齿轮13C的齿数，那么行星齿轮装置9仅有一级的场合的手柄操作时的转数N₀为：

N₀＝N_H/(1+Z₁/Z₃)                           ……(6)

另一方面，公用内齿齿轮13C的二级行星齿轮装置9时的N₀为：

N₀＝N_H/(1+Z₁/Z₃)+[N_H/(1+Z₁/Z₃)]/[1+Z₃/Z₂]  ……(7)

可见手动操作时的输出旋转数，后者增加第二项。

(5)由于推进力变换器11由园头螺栓19A和止动楔19C组成，能使执行机构101的机械传送效率更加提高。

根据前述的本发明，对于调节阀在执行机构侧总是确保抗拒伴随流体压力变化的不平衡力的反作用力，阀体的位置总是正确地跟踪输入信号，在能高精度地调整流体的流量、压力等的同时，能尽量降低执行机构驱动源所需要的能量，并且能确保执行机构快速动作功能等高响应性。

此外，根据本发明，电动操作时的减速比在用一级行星齿轮不满足需要的场合，能不必另外设置体积大的齿轮系，并且能提供手柄人工操作时的所需旋转数较少、操作性良好的小型执行机构。

Claims (1)

1.一种由电动机驱动的电动式调节阀驱动用直线运行执行机构，包括

按向量控制方式进行速度控制的交流感应电动机，

由与所述电动机轴连结的中心齿轮、可围绕中心齿轮旋转的行星齿轮、与行星齿轮在外侧啮合的内齿齿轮所组成的行星齿轮装置，

变换所述行星齿轮装置的输出转矩为推进力并传动到阀杆的推进力变换器，

其特征在于，

还包括能用蜗轮装置手动旋转所述行星齿轮装置的内齿齿轮的手动操作装置，

所述行星齿轮装置由多级行星齿轮系组成，在连结各级行星齿轮系成为前级行星齿轮载体连结到后级中心齿轮的同时，使所述各级的行星齿轮啮合到公共的内齿齿轮。

所述推进力变换器，由传动所述行星齿轮装置的输出转矩到推进轴的园头螺栓和推进轴旋转止动楔组成。

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