CN112992466A - 电磁执行器 - Google Patents

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G·比舍尔迈耶
M·科恩菲尔德
B·施皮格尔
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Hoerbigwien GmbH
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Abstract

本发明涉及一种能电磁操纵的执行器、一种活塞式压缩机以及一种用于设置在活塞式压缩机上的阀组件。为了给出用于操纵活塞式压缩机的阀的电磁执行器，所述执行器尽可能简单且紧凑地构造并且同时满足在效率、维护少、可靠性和耐久性方面的高要求，按照本发明规定，执行器的功率电子器件在执行器壳体中设置在线圈与执行器的轴向的执行器端部之间，在所述轴向的执行器端部上设置有用于操纵元件的操纵开口，所述功率电子器件通过执行器壳体的壳体壁与线圈分开，功率电子器件的电路板设置在紧固面上，所述紧固面设置在壳体壁上，线圈的电气线圈触点延伸穿过壳体壁并且与电路板相连接。

Description

电磁执行器
技术领域
本发明涉及一种能电磁操纵的执行器，其用于设置在活塞式压缩机上以操纵活塞式压缩机的阀，其中，所述执行器具有执行器壳体，在所述执行器壳体中设置有线圈和磁性衔铁，所述磁性衔铁与线圈电磁地配合作用，以便使磁性衔铁运动，所述磁性衔铁与用于操纵阀的操纵元件相连接，在执行器壳体的轴向的执行器端部上设置有用于操纵元件的操纵开口，并且功率电子器件能操控所述执行器。此外，本发明涉及一种活塞式压缩机，包括用于控制压缩介质的介质流的至少一个阀并且包括用于操纵阀的执行器，以及涉及一种用于设置在活塞式压缩机上的阀组件，所述阀组件包括容纳壳体，在所述容纳壳体设置有阀，并且所述阀组件包括紧固在容纳壳体上的执行器，以用于操纵所述阀。
背景技术
在活塞式压缩机中至今通常使用机械的或液压的阀控制装置，以用于控制进气阀和排气阀。然而这样的机械的或液压的阀控制装置相对耗费、易磨损且因此在制造和维护中是昂贵的。为了能实现尽可能简单、维护少并且尤其是灵活地控制阀，总是经常在操纵阀时使用电磁执行器。然而，在操纵阀的应用中对这样的执行器提出非常高的要求，所述执行器的构造和作用方式原则上在现有技术中已知。一方面，尤其是应该能实现短的操纵时间和在尽可能大的范围中能实现能精确调节的且可重复的阀行程，另一方面应该同时确保小的能量消耗、高的可靠性、长的使用寿命以及紧凑的结构形式。
但是特别是大型压缩机中，其中在控制阀时必须使相对大的质量运动，可用的电磁执行器达到其极限。为了满足所要求的边界条件在这里需要功率特别大的线圈，所述线圈通常需要相对大的结构空间。所述线圈在运行中在此以大的电流加载，由此引起相对大的放热。在执行器的线圈的区域中的温度在这里例如可能处于>120℃的范围中。因为用于操控执行器的线圈的对温度敏感的功率电子器件不适合于这样高的温度，所以所述功率电子器件至今尽可能远地远离线圈设置，例如设置在单独的壳体中，以便将功率电子器件的环境温度减少到相容的程度。由此，虽然可以保护敏感的电子组件以防过高的温度，然而由此使整个执行器的复杂性进一步提高，因为例如需要在外部的壳体与执行器之间的导线。除此之外，当然放大对于执行器所需要的结构空间。但是这尤其是在如下应用中是不利的，在所述应用中用于布置包括导线的执行器的可用的空间是受限的。
发明内容
因此，本发明的目的是，给出一种用于操纵活塞式压缩机的阀的电磁执行器，所述电磁执行器尽可能简单且紧凑地构造，并且所述电磁执行器同时满足在效率、维护少、可靠性和耐久性方面的高要求。
所述目的按照本发明通过如下方式解决，即，所述功率电子器件在执行器壳体中设置在线圈与轴向的执行器端部之间，在所述执行器端部上设有操纵开口，所述功率电子器件通过执行器壳体的壳体壁与线圈分开，所述功率电子器件的电路板设置在紧固面上，所述紧固面设置在壳体壁上，所述线圈的电气线圈触点延伸穿过壳体壁并且与电路板相连接。由此，所述功率电子器件可以在热学上有利地设置在线圈与轴向的执行器端部之间，由此实现改善地导出由线圈产生的热量。所述热量由此可以以有利的方式从执行器的内部经由壳体壁导出到执行器壳体上并且经由轴向的执行器端部例如导出到活塞式压缩机的压缩机壳体上。
优选地，所述执行器壳体至少在壳体壁的区域中由能导热的材料、优选由金属、特别优选地由铝制造。由此通过壳体壁能实现改善的散热。
为了进一步改善从功率电子器件到壳体壁上的散热有利的是，在执行器壳体的壳体壁的紧固面与电路板之间设置有至少一个导热元件。
有利地，所述导热元件与电路板相连接、优选借助导热的粘接剂或导热的粘接带相连接。由此可以实现从电路板到导热元件上的更好的热传递。
优选地，当设有导热元件时，至少电路板的对温度敏感的电子元器件、尤其是Mosfet设置在导热元件的区域中。这是有利的，以便至少保护最敏感的组件。
此外有利的是，所述功率电子器件至少部分地覆盖有能导热的浇铸材料。由此可以进一步改善功率电子器件的电子组件的散热。
附图说明
能电磁操纵的执行器以优选的方式在活塞式压缩机上使用，以便通过执行器的操纵元件操纵活塞式压缩机的阀、优选吸入阀。以下参考图1至2更详细地阐明本发明，各图示例性、示意性且非限制地示出本发明有利的设计方案。图中：
图1以有利的设计方案示出执行器的剖视图，
图2示出执行器在活塞式压缩机的吸入阀上的装配的状态中的剖视图。
具体实施方式
在图1中以纵剖视图中示出按照本发明的执行器1。示出的执行器1具有执行器壳体2，在所述执行器壳体中设置有至少一个线圈3和至少一个与所述线圈配合作用的磁性衔铁4。例如也可以围绕周向均匀地设置多个线圈3或所述线圈3可以具有围绕周向均匀设置的多个部段。于是，磁性衔铁4可以在周向上具有与各线圈3或各线圈部段相对应的多个衔铁部段。但是线圈和磁性衔铁4的在结构上的具体设计方案对于本发明不重要。因此以下借助一个线圈3和与此配合作用的一个磁性衔铁4来阐明本发明。所述线圈3和磁性衔铁4电磁地配合作用，以便使磁性衔铁4在轴向上运动。为此可以给线圈3提供电压或电流，以便产生磁场，通过所述磁场可以产生到磁性衔铁4上的磁性的吸引力。通过所述磁性的吸引力，磁性衔铁4可以朝线圈3的方向被吸引。为了使磁性衔铁4复位，可以设有复位弹簧。当然也可以设置有多个线圈3，但是出于简化以下参考一个线圈3。
磁性衔铁4可以在其中运动的区域称为衔铁行程。所述衔铁行程的大小基本上与执行器1的在结构上的具体实施方式有关，所述实施方式又取决于执行器1的应用领域。所述衔铁行程例如可以在几毫米的范围中。优选地，将所述线圈3嵌入在具有尽可能高的磁导率的铁芯3a中或所述线圈包围这样的铁芯。所述铁芯3a用于聚束由线圈3产生的磁通量并且将其引导到磁性衔铁4中。电磁执行器的构造和作用方式原则上已知，因此在这里不再对其进行更详细地讨论。
所述磁性衔铁4与操纵元件5相连接，所述操纵元件在这里从磁性衔铁4出发基本上居中地沿轴向延伸穿过执行器1。在执行器壳体2的轴向的执行器端部E上设有用于所述操纵元件5的操纵开口5a。
操纵元件5能在操纵开口5a中在轴向上移动，因此所述操纵开口5a基本上用于引导操纵元件5。在示出的示例中，操纵元件5的端部区段5E沿轴向方向从执行器壳体2的操纵开口5a中伸出。但是这不是强制必需的，而是基本上与执行器1和阀的优选与所述执行器配合作用的操纵区段的在结构上的具体设计方案有关。操纵元件5的端部区段5E例如也可以位于执行器壳体2之内，其中，在该情况下在阀的与此配合作用的操纵区段将沿轴向部分地通过操纵开口5a向内延伸到执行器壳体2中。但是在每种情况中，操纵开口5a设置在轴向的执行器端部E上。在执行器1在(图1中未示出的)活塞式压缩机19上的装配状态中，执行器1的轴向的执行器端部E面向活塞式压缩机19(参见图2)。
所述操纵元件5在示出的示例中基本上被线圈3环形地包围。所述操纵元件5用于操纵(未示出的)阀，以便打开和/或关闭所述阀。为此，通过操纵元件5将衔铁行程传递到阀上，由此如在图1中示出的那样得出所谓的阀行程VH。阀行程VH在最简单的情况中可以对应于衔铁行程。但是必要时也可以在磁性衔铁4与操纵元件5之间设置传递元件，例如以便产生衔铁行程与阀行程VH之间的一定的传动比。由此，例如可以使阀行程VH相对于衔铁行程放大并且同时减少用于操纵阀的可用的力(或反之亦然)。因此，在操纵执行器1时进行在磁性衔铁4以及操纵元件5与执行器壳体2之间的相对运动。
为了操纵执行器1，功率电子器件6能电操控所述线圈3。所述功率电子器件6能理解为设置用于以合适的形式给线圈3提供能量的组件。属于此的例如是电参量(例如电流、电压、频率等)的转换和/或放大，以便以希望的方式来操控线圈3。为此，所述功率电子器件6具有至少一个电路板8，在所述电路板上设置有确定的电子元器件12(电阻、电容器、Mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)等)，所述电子元器件以合适的方式与电路板8相连接、例如熔焊、粘接、插接等。如开头提到的那样，所述功率电子器件6至今设置在执行器壳体2之外、例如在单独的壳体中，并且通过合适的导线与执行器壳体2、尤其是与设置在所述执行器壳体中的线圈3相连接。
这尤其是通过如下方式引起，即，设置在电路板8上的电子元器件12通常是非常温度敏感的。这一方面可能意味着，一些电子组件和/或焊接连接从一定的温度起损坏并且由此完全或至少部分地在其功能方面受到限制。但是通常也意味着，一些电子组件(例如Mosfet)的损耗随着温度上升超比例地增加，这对于执行器1的高能效的运行同样是不利的。尤其是至今在执行器壳体2之内的温度由于由线圈3发出的热量而不允许地高，从而导致功率电子器件6和因此整个执行器1的损坏和/或导致功能性减少。特别是在与安全相关的应用中，例如在操纵气体压缩机的阀时，这样的限制是无法接受的，因为在这里对执行器的耐久性和可用性给出高的要求(例如按照确定的安全完整性等级(safety integritylevel)——“SIL”的标准化的要求)。因此至今避免功率电子器件6在执行器壳体2之内的布置结构。
为了仍然能够满足所述要求，按照本发明规定，将功率电子器件6设置在执行器壳体2中在线圈3与轴向的执行器端部E之间并且通过执行器壳体2的壳体壁7与线圈3分开。在此，功率电子器件6的电路板8设置在紧固面9上，所述紧固面设置在壳体壁7上。如在图1中可看出的那样，线圈3的电气线圈触点10延伸穿过壳体壁7并且与电路板8相连接。为此，在壳体壁7中设置有合适的开口、例如孔。通过借助壳体壁7的分开，一方面实现功率电子器件6、尤其是设置在其上的电子元器件12与线圈3的热屏蔽。此外，通过将功率电子器件6在热学上有利地定位在线圈3与轴向的执行器端部E之间，实现对由线圈3产生的热量的改善的导出。所述热量由此可以以有利的方式从执行器1的内部经由壳体壁7导出到执行器壳体2上并且经由轴向的执行器端部E导出到活塞式压缩机19的压缩机壳体20上(参见图2)。
对功率电子器件6的能量供应以及控制指令的传递例如可以通过合适的电导线15进行，所述电导线例如可以引导穿过侧向设置在执行器1上的开口17。必要时也可以在执行器1上设有执行器控制单元16，所述执行器控制单元从上级的控制单元18、例如从压缩机控制单元接收控制指令、将其处理并且传输到功率电子器件6上。但是，所述功率电子器件6也可以直接由上级的控制单元18来操控。根据预定的控制程序，控制单元16、18可以利用用于使磁性衔铁4或操纵元件5运动的控制指令来操控执行器1，例如用于打开/关闭压缩机的阀。因此，例如可以实施对压缩机的非常灵活的量调节。
优选地，所述执行器壳体2至少在壳体壁7的区域中由具有尽可能高的导热性的材料制造，以便实现尽可能良好的散热。有利的材料是合适的金属、例如铝或铝合金，但是当然也可设想其他材料。电路板8利用合适的紧固器件13紧固在壳体壁7的紧固面9上。在示出的示例中，作为紧固器件13设有多个螺栓，所述螺栓以合适的距离分布地设置在电路板8的周向上并且与执行器壳体2、尤其是与壳体壁7拧紧。但是当然也可设想紧固的其他形式、例如合适的插接连接或粘接连接。但是螺栓是有利的，以用于能实现功率电子器件6的更容易的装配和可交换性。
如在图1中可看出的那样，线圈3的线圈触点10在这里沿轴向延伸穿过壳体壁7并且在壳体壁7的与线圈相对置的侧(在所述侧上设置有紧固面9)上与电路板8相连接。为了建立在线圈触点10与电路板8之间的导电连接，优选在电路板8上设置有合适的保持元件14。所述保持元件14例如可以形锁合或摩擦锁合地(例如以在现有技术中已知的插接或夹紧连接的形式)实施。
为了进一步改善执行器1的散热，有利的是，在执行器壳体2的壳体壁7的紧固面9与电路板8之间设置有至少一个导热元件11。作为导热元件11例如可以设有由铝或由具有良好的导热特性的另外的适合的材料制成的成形板。通过所述导热元件11来改善在电路板8与壳体壁7之间的热传递。特别有利的是，导热元件11与电路板8相连接。由此，整个功率电子器件6可以作为已经预装配的组件装入执行器壳体2中，由此可以便利于执行器1的装配和尤其是还有维护。在此优选借助导热的粘接剂或粘接带将导热元件11紧固在电路板8上，以便确保在电路板8与导热元件11之间的良好的热传递。在示出的示例中，紧固面9阶梯状地构造在壳体壁7上，以便为导热元件11提供足够的空间。
此外，当设有导热元件11时有利的是，在导热元件11的区域中设置有电路板8的至少对温度敏感的电子元器件12。尤其是，如果仅有有限的空间可供布置导热元件11使用，则可能的是，不是电路板8的所有电子元器件12在导热元件11的区域中具有空间。于是在这里有利的是，至少将特别温度敏感的元器件12、例如Mosfet设置在导热元件11的区域中。为了尽可能良好地充分利用导热元件11的改善的热传导，当然应该将尽可能多、优选所有的电子元器件12设置在导热元件11的区域中。
在图1中的示出的示例中，为了形象地说明，导热元件11没有延伸直至完全到电路板8的外部的径向边缘上。因此，导热元件11在这里与紧固面9的阶梯通过间隙在径向上间隔开。这意味着，设置在电路板8上的(在这里)位于间隙之下的电子组件未从导热元件11的改善的导热性中获益。有利地，导热元件11因此应该覆盖电路板8的尽可能大的区域。此外特别有利的是，功率电子器件6至少部分地覆盖有(未示出的)能导热的浇铸材料。由此进行从(覆盖有浇铸材料)的电子组件12经由电路板8、必要时经由导热元件11到壳体壁7中的改善的热传递。
能电磁操纵的执行器1通常设置用于操纵活塞式压缩机19的阀、尤其是活塞式压缩机19的吸入阀21，如以下借助图2阐明的那样。在此，图2示出执行器1在活塞式压缩机19上的装配的状态中的轴向剖视图。在示出的示例中，所述执行器1是如下阀组件的一部分，所述阀组件作为整个单元可以设置在活塞式压缩机19的压缩机壳体20中的为此设置的开口中。所述阀组件具有(作为压缩机壳体20的一部分的)容纳壳体22、执行器1以及阀(所述阀在这里是吸入阀21)。所述执行器1在此设置在容纳壳体22上，例如与所述容纳壳体拧紧或以另外的合适的方式紧固在所述容纳壳体上。如示意性示出的那样，所述容纳壳体22设置在活塞式压缩机19的压缩机壳体20中的为此设置的开口中并且拧紧在压缩机壳体20上。所述阀设置在容纳壳体22之内。为了操纵吸入阀21，在示出的示例中，执行器1的操纵元件5操纵抬升夹具23，所述抬升夹具设置成能在吸入阀21的容纳壳体22中在轴向上移动。为了能够通过操纵元件5来操纵抬升夹具23，在容纳壳体22中设置有开口22a。必要时也可以设有连接在其间的力传递环节、例如推杆。包括抬升夹具23的吸入阀21的构造和功能例如由AT 509 878 B1原则上已知，因此仅借助最重要的组件来说明工作原理。
所述吸入阀21通常包括阀座24和阀门开度限制器25。在其间设置有阀元件26，所述阀元件可以在阀座24与阀门开度限制器25之间来回运动。所述阀元件26在最简单的情况中可以是充分已知的阀板。所述阀元件26与阀座24配合作用，以便承担密封功能，其方式为所述阀元件关闭和释放在阀座24中的环形的直通通道27。为此，所述阀元件26可以被设置在阀门开度限制器25上的弹簧元件28弹簧加载。因此，所述弹簧元件28将阀元件26压靠到阀座24上。所述抬升夹具23具有抬升夹具爪23a，所述抬升夹具爪穿过阀座24的直通通道27并且贴靠在阀元件26上，以便操纵阀元件26。在此，所述抬升夹具23例如用于，使压缩机无负载地向上移位或将压缩机19切换到空载运行中或用于对压缩机19的量调节。
如在图2中示出的那样，当执行器1设置在活塞式压缩机19上时，由执行器1的线圈3产生的热量可以从执行器壳体2导出到压缩机壳体20上，如在图2中通过箭头示出。在示出的示例中，所述阀构成为吸入阀21并且设置在阀组件中。在此如提到的那样，所述阀组件包括吸入阀21(所述吸入阀包括其上述的组件)以及容纳壳体22(阀21设置在所述容纳壳体中)和执行器1(所述执行器紧固在容纳壳体22上)。在示出的示例中，热量尤其是从执行器壳体2经由阀组件的容纳壳体22流动到压缩机壳体20上。通常，压缩机19的压缩机壳体20在吸入阀21的区域中被穿流压缩机壳体20的冷却介质冷却。所述冷却介质在此在最简单的情况中可以是吸入的压缩介质KM(例如气态的介质、如空气或工业气体)本身，如在图2中通过在吸入通道29中的箭头所示出的那样。但是，例如在水冷却的情况中，如通过水套30所示出的那样，也可以附加地设有包括自身的冷却介质的单独的冷却回路。
线圈3在运行中达到典型地可以是120℃至130℃的最高温度。而功率电子器件6是下级的热源并且在运行中(尤其是在通常安装的半导体开关、MOSFET上)达到100℃至110℃的温度。功率电子器件6的组件具有所允许的最大的运行温度、例如在高温电子组件中为125℃。仅出于这个原因至今无法将功率电子器件6设置在线圈3的附近，因为存在如下危险，即，电子组件由于相邻的线圈3的温度而过热并且被损坏或破坏。但是，通过功率电子器件6的按照本发明的布置结构，活塞式压缩机19本身可以用作用于执行器1的散热器。
由于对压缩机壳体20冷却，在压缩机壳体20上或在这里尤其是在阀组件的容纳壳体22上出现典型地最大为70℃的温度。由于该低的温度和执行器1到压缩机19上的热连接，在线圈3与压缩机19之间出现温度梯度。借此热量从执行器1朝较冷的压缩机19的方向导出并且由此使功率电子器件6冷却。由此才能够将功率电子器件6设置在线圈3的附近和执行器1的执行器壳体2中。为此，通过对在执行器1的执行器壳体2的表面上的对流的冷却将是不足够的。对执行器1的测量得出，通过功率电子器件6的按照本发明的布置结构能够使在功率电子器件6的区域中的最大温度保持在<110℃，由此保护保护功率电子器件6的电子组件以防过热。
通过功率电子器件6在线圈3与执行器1的轴向的执行器端部E之间在执行器壳体2的壳体壁7上的布置结构，因此引起对功率电子器件6的足够的冷却，因为在执行器1中产生的热量经由壳体壁7和执行器壳体2的轴向的执行器端部E导出到压缩机壳体20上。因此，压缩机19的冷却可以有利地用于实现对执行器1的改善的散热。

Claims (9)

1.能电磁操纵的执行器(1)，其用于设置在活塞式压缩机(19)上以操纵活塞式压缩机(19)的阀、优选吸入阀(21)，其中，所述执行器(1)具有执行器壳体(2)，在所述执行器壳体中设置有线圈(3)和磁性衔铁(4)，所述磁性衔铁(4)与线圈(3)电磁地配合作用，以便使磁性衔铁(4)运动，所述磁性衔铁(4)与用于操纵阀的操纵元件(5)相连接，在执行器壳体(2)的轴向的执行器端部(E)上设有用于操纵元件(5)的操纵开口(5a)，并且功率电子器件(6)能操控所述执行器(1)，其特征在于，所述功率电子器件(6)在执行器壳体(2)中设置在线圈(3)与轴向的执行器端部(E)之间，在所述轴向的执行器端部上设有操纵开口，所述功率电子器件(6)通过执行器壳体(2)的壳体壁(7)与线圈(3)分开，所述功率电子器件(6)的电路板(8)设置在紧固面(9)上，所述紧固面设置在壳体壁(7)上，所述线圈(3)的电气线圈触点(10)延伸穿过壳体壁(7)并且与电路板(8)相连接。
2.按照权利要求1所述的能电磁操纵的执行器，其特征在于，所述执行器壳体(2)至少在壳体壁(7)的区域中由能导热的材料、优选由金属、特别优选地由铝制造。
3.按照权利要求1或2所述的能电磁操纵的执行器，其特征在于，在执行器壳体(2)的壳体壁(7)的紧固面(9)与电路板(8)之间设置有至少一个导热元件(11)。
4.按照权利要求3所述的能电磁操纵的执行器，其特征在于，所述导热元件(11)与电路板(8)相连接、优选借助导热的粘接剂或导热的粘接带相连接。
5.按照权利要求3或4所述的能电磁操纵的执行器，其特征在于，至少所述电路板(8)的对温度敏感的电子元器件(12)、尤其是Mosfet设置在导热元件(11)的区域中。
6.按照权利要求1至5之一所述的能电磁操纵的执行器，其特征在于，所述功率电子器件(6)至少部分地覆盖有能导热的浇铸材料。
7.活塞式压缩机(19)，包括用于控制压缩介质的介质流的至少一个阀、尤其是吸入阀(21)，并且包括用于操纵阀的执行器，其中，所述执行器构造为按照权利要求1至6之一所述的能电磁操纵的执行器(1)，所述执行器(1)的操纵元件(5)设置用于与所述阀配合作用，以便操纵所述阀。
8.按照权利要求7所述的活塞式压缩机(19)，其特征在于，所述活塞式压缩机(19)的压缩机壳体(20)在阀、优选吸入阀(21)的区域中被冷却介质冷却，其中，所述执行器(1)设置在压缩机壳体(20)上，以便在功率电子器件(6)的区域中冷却执行器(1)，其方式为，由线圈(3)产生的热量能经由执行器壳体(2)的壳体壁(7)和执行器(1)的轴向的执行器端部(E)导出到压缩机壳体(20)上。
9.用于设置在活塞式压缩机(19)上的阀组件，所述阀组件包括容纳壳体(22)，在所述容纳壳体中设置有阀、尤其是吸入阀(21)，并且所述阀组件包括紧固在容纳壳体(22)上的执行器，以用于操纵所述阀，其中，所述执行器构造为按照权利要求1至6之一所述的能电磁操纵的执行器(1)，所述执行器(1)的操纵元件(5)设置用于，通过设置在容纳壳体(22)中的开口(22a)与所述阀配合作用，以便操纵所述阀。
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