DE10058441A1

DE10058441A1 - Geschlossenes motorgetriebenes Ventil

Info

Publication number: DE10058441A1
Application number: DE10058441A
Authority: DE
Inventors: Iii Charles C Hansen; John A Yencho; Martin F Kozi; Jun Orval J Kuhn
Original assignee: Hansen Technologies LLC
Current assignee: Hansen Technologies LLC
Priority date: 1999-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2001-05-31
Anticipated expiration: 2020-11-25
Also published as: FR2805411B1; JP2001221359A; HK1067000A1; GB0028424D0; FR2805411A1; IT1319116B1; US6460567B1; GB2357823B; HK1066985A1; DE10058441B4; GB2357823A; ITMI20002502A1

Abstract

Das motorgetriebene Ventil weist ein Ventilgehäuse mit wenigstens einem Eingang und wenigstens einem Ausgang auf, einen dazwischenliegenden Ventilsitz und in mehreren Ausführungsformen wenigstens einen Ventilkern, der zwischen einer offenen und einer geschlossenen Stellung des Ventilsitzes hin- und herbewegt und der zwischen den Stellungen dadurch bewegt wird, daß ein in ihm befindliches Gewinde mit einem Gewindekolben zusammenarbeitet, der sich mit dem Läufer dreht. Der Läufer weist dabei eine Vielzahl von räumlich getrennt voneinander angeordneten Permanentmagneten auf, eine Vielzahl von Antriebswicklungen am Ständer und Hall-Effekt-Vorrichtungen, die den Strom in den Wicklungen umkehren, wobei eine abgedichtete, magnetisch transparente Hülse zwischen Läufer und Ständer angeordnet ist. Bevorzugterweise ist der gesamte Motor in einem zweiten Gehäuse eingeschlossen, das außerhalb des Ständers liegt und auch den Antriebsschaltkreis beinhaltet. In anderen Ausführungsformen betätigt der drehbare Kolben indirekt verschiedene Typen von Vierteldrehungsventilen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische, motorgetriebene Ventile, und insbe sondere mit einer Hülse umgebene Motoren, die bevorzugterweise eine mit einem Gewinde versehene Läuferverlängerung aufweisen, um den Ventilkern innerhalb eines Ventilgehäuses anzutreiben, und bei denen die Stromumkehr über Hall- Effekt-Vorrichtungen initiiert wird, wobei die Wicklungen und die Hall-Effekt- Vorrichtungen gewöhnlich in einer zweiten, atmosphärendichten Umhüllung einge schlossen sind. Das Ventilgehäuse kann ein Ventil mit zwei Kanälen, mit drei Ka nälen, ein Ventil mit Druckausgleich oder eines mit vielen Kanälen umfassen, wie sie beispielsweise zum Wärmeaustausch oder für industrielle Kühlung verwendet werden.

Die Erfindung betrifft außerdem die Art und Weise, die Feldwicklungen mit Strom zu versorgen, die in einer einzigartigen Läuferbewegung resultiert, die nicht nur darauf ausgerichtet ist, ein maximales Drehmoment im Motor zu erreichen, sondern auch darauf, dabei keine thermische Überlastung an den Feldwicklungen und den Lagern hervorzurufen, wodurch der Motor über einen unbestimmten Zeitraum ohne Ausfall laufen kann.

Desweiteren betrifft die Erfindung in einem anderen Aspekt die Verwendung einer derartigen Kombination von Kugellagern oder ähnlichen Lagern, bei der die Lager von einer PTFE(Polytetraflourethylen)-Verbindung umgeben sind, die dazu fähig ist, praktisch permanent Schmiermittel zu bilden und an die Lager abzugeben, wo durch sie den Lagern eine relative Immunität von den Bedingungen gibt, die an sonsten schädigend auf deren Lebenszeit wirken würden.

Elektrische motorgetriebene Ventile wurden hierzu in vielen Ausführungsformen verwendet, wobei einige von ihnen eine Drehstangen- und Stopfbuchsendichtung in Verbindung mit einem Getriebe-Spaltpolmotor oder einem ähnlichen Motor ver wendeten. Diese Art Ventil hatte ihren Antriebsmotor extern am Ventil befestigt und war mit dem Ventilkern über eine Stange verbunden, die verschiedene Stopfbuch sen-Dichtungsanordnungen verkörperte, um die Flüssigkeiten innerhalb der Venti lumhüllung zu halten. Oftmals waren diese Dichtungsanordnungen die ersten Ele mente, die aufgrund von Abnutzung, Schmutz oder Korrosion Fehler aufwiesen und leckten. In einigen Fällen leckten diese Umhüllungen sogar bei neuwertigen Exem plaren. Das Endergebnis war ein Austreten von Flüssigkeit aus dem Ventil in die Umgebung, oder Eintreten von Luft in die Flüssigkeit, die vom Ventil gesteuert wird.

Viele Ventilanordnungen, insbesondere in der chemischen, der Erdöl-, der biologi schen, der pharmazeutischen Industrie, in gewerblichen Kühlanlagen oder in ge schützter Umgebung dürfen keine meßbaren Lecks oder entweichende Emissionen aus Ventilen in der Prozesschleife tolerieren. Flüssigkeitsemissionen können ge fährlich oder toxisch sein, Flüssigkeiten können beispielsweise auch einfach wert voll sein oder sensibel auf Kontamination reagieren.

In einigen Ventilanwendungen mit lediglich der Forderung nach einem geringen Drehmoment wurde eine Verbesserung in Bezug auf die Leckage erreicht, indem Schrittmotoren verwendet wurden, die komplett innerhalb der Ventilumhüllung be festigt waren, wodurch die Stange, die Dichtung sowie das damit verbundene Leckpotential wegfiel. Das jedoch setzte den Läufer, die Wicklungen und die damit zusammenhängenden Kabel den Flüssigkeiten aus. Die nötige Kompatibilität zwi schen Flüssigkeiten und Motor begrenzte die Anzahl der Flüssigkeiten, die in Ven tilen dieses Typs akzeptierbar waren. In diesen begrenzten Anwendungen, in de nen ein Schrittmotor kompatibel mit den Flüssigkeiten und für diese auch sicher war, wurden bedeutende Vorteile realisiert: keine Stange oder Umhüllung wurde benötigt; eine erhöhte Positionierungspräzision wurde erreicht; bei geringen Kosten und geringer Größe wurde eine hohe Motorverläßlichkeit erreicht; und ein einfa ches Steuerungsschema konnte verwendet werden.

Der Eingang der Steuerungs- und Versorgungskabel in unter Ventildruck befindli che Flüssigkeitsumgebung schaffte Schwierigkeiten hinsichtlich Verläßlichkeit und Kosten. Schrittmotoren konnten nicht an Steueranschlüsse angeschlossen werden, die größer als ungefähr ein ¼" im Durchmesser waren, ohne internes Getriebe oder zusätzliche Schwierigkeiten bei der Stromumkehr, hauptsächlich wegen der Unfähigkeit von Schrittmotoren, unter Belastung im angehaltenen Zustand zu bleiben, und ihrer Tendenz, Drehmomentstärke zu verlieren, wenn die Synchronisation auf grund von Leistungsverlusten oder Systemkräften verlorengeht.

Außerdem verhinderten die engen radialen Abstände zwischen Ständer und Läu fer, die für Schrittmotoren mit kleinem Schrittwinkel notwendig sind, die Verwen dung einer hermetischen, Druck beinhaltenden und magnetisch transparenten Metallhülse in der magnetischen Lücke. Als praktische Folge verlangt dies, daß die Wicklungen in die Flüssigkeit eingetaucht sind. Dies wiederum beschränkte die Anwendung auf die Fälle, in denen die Flüssigkeit kompatibel zu den Motorwick lungen und Strömen ist.

Daher hat sich der Bedarf nach einem kleinen, kompakten, aber mit hohem Drehmoment ausgestatteten Motor entwickelt, der in der Lage ist, relativ große Ventilmechanismen anzutreiben, um Ventilkanäle auf einmal oder schrittweise zu öffnen und zu schließen und den Ventilmechanismus als Reaktion auf ein externes Steuerungssignal in einer gewünschten Position zu halten.

Zusätzlich wurde der Bedarf nach einem Motor deutlich, der in der Lage ist, in einer hermetisch abgedichteten Umgebung zu arbeiten, um das Austreten von Flüssig keiten aus dem Flüssigkeitensystem zu verhindern, in dem das Ventil arbeitet, ins besondere an der Schnittstelle zwischen Motor und Ventil. Des weiteren hat sich der Bedarf nach einem motorgetriebenen Ventil für die Verwendung in einem Flüs sigkeitensystem entwickelt, das in der Lage ist, für längere Zeiträume ohne Ausfall zu arbeiten, auch wenn die Flüssigkeit im System korrodierend ist oder als Löse mittel zum Entfernen von Materialien oder Schmiermitteln von Metall, Plastik, Ke ramik oder anderen Oberflächen fungiert, die mit der Flüssigkeit oder miteinander innerhalb des Ventilmechanismusses in Kontakt kommen.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein neues und verbessertes motorgetriebenes Ventil zu schaffen, das einen Motor aufweist, der ein besseres Verhältnis zwischen höherem Drehmoment und geringerer Hitzeent wicklung liefert als bisher bekannt, sowie eine weitaus längere Lebensdauer aufweist als bisher bekannt. Zusätzlich sollte das Ventil eine logische und vereinfachte Anordnung der Komponenten aufweisen, um Reparaturen oder Wartungsarbeiten zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Demgemäß wird ein motorgetriebenes Ventil geschaffen, mit einem Ventilgehäuse, das wenigstens einen Eingang und wenigstens einen Ausgang, wenigstens einen Eingangskanal und wenigstens einen Ausgangskanal sowie wenigstens ein zwi schen Eingangs- und Ausgangskanal angeordnetes Ventilelement aufweist, wobei das wenigstens eine Ventilelement zur Bewegung zwischen verschiedenen Posi tionen befestigt ist, mit einem Läufer und einem Antriebselement zur Bewegung des Ventilelementes, wobei das Antriebselement und das Ventilelement derart ver bunden sind, daß eine Drehung des Läufers und des Antriebselementes eine Be wegung des Ventilelementes verursacht, wobei der Läufer eine Vielzahl von räum lich getrennt zueinander angeordneten Permanentmagneten in sich aufweist, mit wenigstens einer Lageranordnung, die mit dem Antriebselement und/oder dem Läufer in Verbindung steht, wobei der Läufer am einen Ende durch eine magne tisch transparente Umhüllung eingeschlossen ist, und am anderen Ende herme tisch dichtend mit dem Ventilgehäuse verbunden ist, und mit einem Antriebsstän der, der nahe außerhalb dieser Umhüllung liegt und Antriebswicklungen und eine Vielzahl von Hall-Effekt-Vorrichtungen zur Stromumkehr in den Wicklungen auf weist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Motor geschaffen, der innerhalb einer magnetisch transparenten Hülse einen Läufer aufweist, der Permanentmagneten enthält, wobei der Motor Wicklungen und Hall-Effekt-Vorrichtungen außerhalb der Hülse aufweist, die innerhalb einer zweiten Hülse oder einer Schutzabdeckung ein geschlossen sind, welche dichtend mit dem Ventilgehäuse verbunden ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein geschlossener Motor geschaffen, der nur vier elektrische Leitungen aufweist, die in abgedichteter Art und Weise durch die äußerste wasserdichte Schale hindurchgehen, um ein Schaltkreis-Board zu versorgen, das zwischen den Schalen angeordnet ist, in denen die Motorsteuerung enthalten ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Ventilkern geschaffen, der mit einem Sitz im Ventilgehäuse in Eingriff gelangt, wobei der Ventilkern aus einem PTFE- Verbundmaterial oder dergleichen besteht und eine dem Ventilsitz zugewandte Oberfläche aus einem harten, abnutzungsresistenten Material aufweist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Ventilkern geschaffen, der dazu geeig net ist, sich hin- und herzubewegen und somit in Kontakt mit einem ringförmigen Sitz zu kommen und sich wieder von ihm zu lösen, dessen Axialbewegung durch eine Anordnung einer Rille und eines Stiftes sichergestellt ist und dessen Kern axial mittels eines Gewindekolbens bewegt wird, welcher am Läufer festgelegt ist und sich mit diesem dreht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Vierteldrehungsventil geschaffen, bei dem der Antrieb ein mit einer Hülse umgebener Motor ist, und das Ventil über eine Kombination eines Gewindekolbens und eines Rades, eines Kulissenantriebs oder eines anderen Mechanismus, von dem ein Abschnitt am Ventil befestigt ist, gedreht wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Motor geschaffen, der einen geschlos senen oder umhüllten Läufer aufweist und innerhalb des Elementes liegt, das die Dichtung, eine Lageranordnung mit einem inneren und äußeren Laufring, eine Viel zahl von Wälzkörpern und einen Lagerkäfig aufweist, welcher die Lagerelemente in ihrer Position sichert, wobei der Lagerkäfig aus einem PTFE-Verbundmaterial oder einem ähnlichen abnutzungsresistenten, selbstschmierenden Material besteht, wo bei die Lager eine weitaus größere Lebensdauer als andere Lagern mit derselben Umgebung besitzen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein ein Ventil betätigender Motor ge schaffen, der innere und äußere wasserdichte Behälter aufweist, die ebenso wie andere Elemente, die den Ventilkern einschließen, leicht gewartet oder ausge tauscht werden können, ohne das Ventilgehäuse in Unordnung zu bringen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein geschlossener Motor und eine Positio nierungssteuerungseinheit für den Ventilkern geschaffen, wobei der Läufer und das Ventilgehäuse wie auch das Positionsmeßelement teilweise vom Läufer umgeben sind, und wobei der Läufer, der angetriebene drehbare Kolben und das Positions geberelement innerhalb eines ersten abgedichteten Gehäuses liegen, und der Po sitionssensor, der Antrieb und das Feld für den Motor außerhalb des ersten Ge häuses liegen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine motorgetriebene Anordnung ge schaffen, die eine drehbare Schraube und einen mit einem Gewinde versehenen Ventilkern aufweisen, der sich innerhalb eines Ventilgehäuses bewegt, wobei die Anordnung der Ventilkomponenten derart ist, daß die Einheit an eine Vielzahl von Ventilanordnungen angepaßt werden kann, einschließlich derer, die einen einzel nen Eingang und Ausgang bzw. mehrere Eingänge und Ausgänge verwenden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine abgeschlossene Motor- und Venti lanordnung geschaffen, bei der der Läufer durch ein graphithaltiges Lager am ei nen Ende und durch das neuartige Kugellager oder ähnliche Lager am anderen Ende umschlossen wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine motorgetriebene Ventilanordnung geschaffen, bei der der bewegliche Abschnitt ein Mischventil oder Umleitventil dar stellt, mit einem Ventilkern in einer Zwischenstellung, der das Vermischen oder Umleiten von Flüssigkeiten ermöglicht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein abgeschlossener Motor geschaffen, der eine magnetisch transparente Umhüllung für den Läufer aufweist, wobei der Läufer einen mit einem Gewinde versehenen inneren Stababschnitt aufweist, mit einem Positionssensor am einen Ende des Stabes und einem Ventilkern am ande ren Ende des Stabes.

Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Betätigung eines abgeschlossenen Motors zu schaffen, durch das eine erheblich größere Lebensdauer des Motors erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 37 gelöst.

Demgemäß wird ein Verfahren zur Betätigung eines abgeschlossenen Motors ge schaffen, der einen Ständer, eine Vielzahl von Antriebswicklungen für den Ständer, mehrere Hall-Effekt-Vorrichtungen zur Stromumkehr in den Antriebswicklungen und eine magnetisch transparente Umhüllung um einen Läufer aufweist, der mehrere Permanentmagneten beinhaltet, wobei die Antriebswicklungen periodisch mit meh reren Strompulsen versorgt werden, wobei diese Pulse periodisch durch relativ große Intervalle, in denen praktisch kein Strom vorliegt, unterbrochen werden, und der Läufer so während jedes dieser Intervalle zu einem virtuellen Stop kommt, wo durch der Läufer steigernd angetrieben wird und eine schädigende Hitzeerzeugung im abgeschlossenen Motor verhindert wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines bür stenlosen Gleichstrommotors geschaffen, durch das der Motor in die Lage versetzt wird, für unbestimmte Zeit ein maximales Drehmoment zu liefern, ohne wegen ho her thermischer Überlastung Gefahr zu laufen, auszufallen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern gleiche Teile kennzeichnen. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines geschlossenen, motorgetriebenen Ventils mit zwei Kanälen gemäß einer ersten Ausführungsform der vorlie genden Erfindung;

Fig. 1a eine vergrößerte Schnittansicht des Ventilkerns und der damit ver bundenen Elemente aus Fig. 1;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines geschlossenen motorgetriebenen Ventils mit drei Kanälen gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei Abschnitte weggebrochen sind;

Fig. 3 eine Schnittansicht eines geschlossenen motorgetriebenen Schie berventils mit vier Kanälen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine Schnittansicht eines geschlossenen motorgetriebenen Schie berventils mit vielen Kanälen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 eine Schnittansicht eines geschlossenen motorgetriebenen steuer druckunterstützten Ventils gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5a eine vergrößerte Schnittansicht des Ventils aus Fig. 5, welches das selbe in einer Betriebsstellung zeigt;

Fig. 5b eine Ansicht ähnlich zur Ansicht der Fig. 5a, wobei aber das Ventil in einer anderen Betriebsstellung gezeigt wird;

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine verbesserte Lageranordnung, die gestaltet wurde, um ohne Beschädigung für längere Zeiträume zu halten, egal ob im nassen oder trockenen Zustand;

Fig. 7 eine Perspektivansicht eines Lagerkäfigs für das verbesserte Lager;

Fig. 8 eine Schnittansicht eines geschlossenen motorgetriebenen Ventils, das eine integrierte Positions-Feedback-Steuerung des Ventilele mentes gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Er findung aufweist;

Fig. 9 einen Graphen, der das Verhältnis zwischen Motorgeschwindigkeit und Motordrehmoment für einen bürstenlosen Gleichstrom- Permanentmagnet-Motor zeigt;

Fig. 10 einen Graphen, der das Verhältnis zwischen Motorstrom und Motor erhitzung für einen bürstenlosen Gleichstrom-Permanentmagnet- Motor zeigt, wenn konventionelle Motorantriebsmethoden verwendet werden, und der die thermische Grenze eines konventionell angetrie benen Motors zeigt, die bei einem Strom deutlich unter dem Maxi malstrom auftritt;

Fig. 11 einen Graphen, der das Verhältnis zwischen Motorstrom bei voller Spannung und Zeit zeigt, wobei ein bürstenloser Gleichstrom- Permanentmagnet-Motor mit konventionellen Motorantriebsmethoden unter verschiedenen Widerständen angetrieben wird und aus dem Stillstand auf Nenndrehzahl hochläuft;

Fig. 12 einen Graphen, der das Verhältnis zwischen Motorgeschwindigkeit und Zeit zeigt, wenn ein bürstenloser Gleichstrom- Permanentmagnet-Motor mit konventionellen Motorantriebsmethoden unter verschiedenen Widerständen angetrieben wird und von einer angehaltenen Position zur Laufgeschwindigkeit beschleunigt;

Fig. 13 einen Graphen, der das Verhältnis zwischen Motorstrom und Zeit zeigt, wenn ein bürstenloser Gleichstrom-Permanentmagnet-Motor unter verschiedenen Widerständen für zeitlich optimal gesetzte Pulse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an volle Spannung gelegt wird;

Fig. 14 einen Graphen, der das Verhältnis zwischen Motorgeschwindigkeit und Zeit zeigt, wenn ein bürstenloser Gleichstrom- Permanentmagnet-Motor unter verschiedenen Widerständen für zeit lich optimal gesetzte Pulse gemäß einer Ausführungsform der vorlie genden Erfindung an volle Spannung gelegt wird;

Fig. 15 einen Graphen, der das Verhältnis zwischen Motorerhitzung und Zeit für einen angehaltenen bürstenlosen Gleichstrom-Permanentmagnet- Motor mit konventionellen Motorantriebsmethoden und mit den zeit lich optimal gesetzten Pulsen gemäß einer Ausführungsform der vor liegenden Erfindung zeigt;

Fig. 16 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines motorge triebenen Ventils gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die An triebseinheit daran angepaßt ist, ein sogenanntes Vierteldrehungs ventil von einer offenen in eine geschlossene Stellung zu drehen;

Fig. 17 eine Schnittansicht der Vorrichtung aus Fig. 16, wobei eine Ansicht des Betätigungsmechanismusses im Endabschnitt und eine andere Ansicht davon gezeigt wird, wie sich das Ventil öffnet und schließt;

Fig. 18 eine Schnittansicht eines Schneckengetriebes, das verwendet wird, um eine andere Form eines Vierteldrehungsventils zu betätigen;

Fig. 19 ein Blockdiagramm einer typischen Motorsteuerung, die bei der vor liegenden Erfindung verwendet wird; und

Fig. 20 ein Blockdiagramm eines Schaftkreises, der eine Ausfallsicherungs batterie zur Betätigung eines Ventils gemäß der vorliegenden Erfin dung verwendet.

Bezugnehmend auf Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung einer umschlossenen bzw. abgedichteten motorgetriebenen Ventilanordnung 10 gezeigt, die eine direkt angetriebene, druckentlastete Ventilanordnung 10 dar stellt, welche verwendet wird, um den Durchfluß von Flüssigkeiten zu steuern. Die Ventilanordnung 10 weist einen Ventilkörper 11 mit einer Durchflußkonstruktion auf, der einen ringförmigen Eingangsflansch 12 aufweist, welcher einen Eingangs kanal 13 definiert, der sich zentral zum Eingangsflansch und teilweise über den Bereich des Ventilgehäuses 11 erstreckt. Auf der gegenüberliegenden Seite des Ventilgehäuses 11 befindet sich ein ringförmiger Ausgangsflansch 14, welcher ei nen Ausgangskanal 15 definiert, der sich innenseitig teilweise durch den Bereich des Ventilgehäuses erstreckt. Das Ventilgehäuse 11 weist desweiteren einen ring förmigen Flansch 16 zur Befestigung des elektrischen Motors auf, der zentral oben auf dem Ventilgehäuse 11 angeordnet ist.

Im zentralen Abschnitt des Ventilgehäuses 11 befindet sich eine Trennwand 20, die den Eingangskanal 13 vom Ausgangskanal 15 trennt. In der Mitte der Trennwand 20 existiert eine sich ringsum erstreckende Oberfläche, die einen abgewinkelten Ventilsitz 22 definiert, der sich um die Durchtrittspassage 21 erstreckt.

Wie insbesondere aus Fig. 1a ersichtlich, weist der ringförmige Befestigungs flansch 16 für den elektrischen Motor, der mittig oben auf dem Ventilgehäuse 11 angeordnet ist, eine zentrale Hauptbohrung 23 auf, die sich senkrecht nach unten erstreckt, und einen eingesenkten Abschnitt 22a mit vergrößertem Durchmesser, der durch die ringförmige Oberfläche 16a an der Spitze des Flansches 16 begrenzt wird. Die Senkung 23a erstreckt sich von der Oberfläche 16a des Motorbefesti gungsflansches nach unten und endet an einer Schulter 16b. Eine im wesentlichen hohlförmige zylindrische Patrone 24 wird in der Senkung 23a durch einen Schulter abschnitt 24a vergrößerten Durchmessers gehalten, der eine Rille 28 zur Aufnah me einer O-Ring-Dichtung 29 aufweist. Die Patrone 24 weist desweiteren eine ei nen Zentralkolben oder -schaft aufnehmende Bohrung 25, eine erste Senkung 26 zur Aufnahme eines Lagers und darunter eine noch weiter vergrößerte zweite Sen kung 27 auf.

Ein im wesentlichen zylindrischer Ventilkern 30 ist so ausgestaltet, daß er sich axial bewegt, aber nicht in der zweiten Senkung 27 dreht. Der Ventilkern 30 weist einen hohlen, ringförmigen unteren Abschnitt 31 auf, der eine vorbestimmte Geometrie aufweist, die, in diesem Fall, eine kontrollierte Zunahme der effektiven Durch gangsfläche zwischen Eingangskanal 13 und Ausgangskanal 15 liefert, wenn der Ventilkern 30 sich axial in der Senkung 27 nach oben bewegt. Ein Ventilsitzring 33 ist an der Außenseite des Ventilkerns 30 angeordnet, um den Eingangskanal 13 vom Ausgangskanal 15 abdichtend zu trennen, wenn der Ventilsitzring 33 mit dem abgewinkelten Ventilsitz 22 in Eingriff gelangt.

Der Innendurchmesser-Abschnitt 30a des Ventilkerns 30 steht über ein Gewinde in Eingriff mit einem mit einem Gewinde versehenen Kolben bzw. Gewindekolben 43, der zudem bevorzugterweise aus einem abnutzungsresistenten, selbstschmieren den Material 34 wie dem PTFE-Verbundmaterial oder einem ähnlichen, chemisch trägen Material mit geringem Reibungskoeffizienten. Ein Stift 36 ist in der Patrone 24 aufgenommen und steht mit einem axialen Schlitz 36a am Ventilkern 30 in Ein griff, um die Rotation des Kerns zu verhindern, wenn das Antriebsgewinde 43 betä tigt wird. Der Ventilkern 30 besitzt eine obere ringförmige Oberfläche 35, die mit der Schulter 26a zwischen der die Lager aufnehmenden Senkung 26 und der größten Senkung 27 der Patrone 24 zum Eingriff kommt, um die nach oben gerichtete Be wegung des Ventilkerns 30 zu stoppen. Die Druckausgleichskammer ist bezüglich des Eingangskanals 13 durch Dichtungen 17 abgedichtet und steht mit dem Aus gangskanal 15 über einen Strömungskanal 18 in Verbindung, der den ausgehöhl ten ringförmigen unteren Abschnitt 31 des Ventilkerns 30 mit der Druckausgleichs kammer verbindet.

Wieder bezugnehmend auf Fig. 1 ist ein bürstenloser Gleichstrom-Permanent magnet-Servomotor 40 ausgestaltet, um mit dem Ventil 10 zusammenzuarbeiten. Der Motor 40 weist von innen nach außen zunächst einen zylindrischen Läufer oder Rotor 41 auf, der in dieser Ausführungsform polare Segmente aufweist, die Permanentmagnete 42 beinhalten, welche sich entlang der vertikalen Seiten des Läufers erstrecken. Der Läufer 41 ist drehbar zwischen abnutzungsresistenten, selbstschmierenden Lageranordnungen 59 und 60 befestigt, die so gestaltet sind, daß sie über längere Zeitperioden naß oder trocken sein können, ohne Schaden zu nehmen. Bezugnehmend auf Fig. 1 und 1a weist der Läufer 41 eine mit einem Ge winde versehene Verlängerung in Form eines Kolbens 43 auf, der sich von der Nä he des unteren Endes des Läufers 41 durch die Bohrungen 25, 26 in die Patrone 24 erstreckt und über das Gewinde mit dem Ventilkern 30 wie oben beschrieben in Eingriff kommt. Die Hülse 59 besteht bevorzugterweise aus einem selbstschmie renden Material, wie beispielsweise armiertes oder gefülltes Graphit oder Kohlen stoff-Graphit-Material, das eine selbstschmierende Oberfläche und eine erhöhte Abnutzungsresistenz besitzt. Die Permanentmagneten 42 sind im Läufer 41 über tiefgezogene Stirnkappen 61 gesichert.

Erfindungsgemäß wird eine Pulsgebung verwendet, um den Läufer drehbar anzuordnen. Diese Pulse werden von den Permanentmagneten 42 erzeugt, die im Läufer 41 eingebettet sind, und von den Hall-Effekt-Sensoren 54 detektiert. Die Hall-Effekt-Sensoren detektieren das magnetische Feld, das die Permanentma gneten umgibt und drehen das Feld an oder aus, wenn das magnetische Feld sich verändert. Die vorliegende Erfindung verwendet die Permanentmagneten sowohl als Erzeuger der magnetischen Kraft als auch als Teil des Positionierungs- Steuerungssystems.

Der Läufer 41 ist hermetisch zum Ventilgehäuse 11 und dessen internen Kompo nenten über eine magnetisch transparente rostfreie Stahlhülse 44 abgedichtet, die an ihrem oberen Ende an eine Lagerhalterung 45 und an ihrem unteren Ende an einen ringförmigen Hülsenflansch 47 geschweißt ist, der mittels eines Aufpress flansches 46 und Schrauben 46a auf dem ringförmigen Motorbefestigungsflansch 16 des Ventilgehäuses 11 angeordnet ist. Die Dicke der rostfreien Stahlhülse ist wichtig für den Betrieb des bürstenlosen Servomotors 40. Da eine dicke Hülse ei nen längeren Weg (und daher ein resultierendes schwächeres Magnetfeld) für die Durchquerung derselben verlangt, und eine dünne Hülse nicht die Stabilität liefern kann, die benötigt wird, um den Läufer 41 drehbar darin zu befestigen, muß ein Kompromiß gefunden werden. Eine Hülse mit einer Dicke von ungefähr 0,4 mm (0,015") stellte sich in wenigstens einem Fall als akzeptabel heraus; 0,25 mm (0,010") bis 0,9 mm (0,035") scheinen ein typischer Bereich zu sein.

Außerhalb der rostfreien Stahlhülse 44 ist eine zylindrische Gehäuseanordnung 50 aus Blech auf dem Aufpressflansch 46 montiert, die eine daran angeschweißte sphärische Kappe 51 aufweist und außerdem mit einem entfernbaren Gehäu seflansch 52 zusammengeschweißt ist. Die Gehäuseanordnung 50 ist mittels Befe stigungsschrauben 52a am Aufpressflansch 46 befestigt und über Dichtungen ab gedichtet. Zwischen der Gehäuseanordnung 50 und der rostfreien Stahlhülse 44 ist ein ringförmiger Ständer bzw. Stator 48 befestigt.

Der elektronische Antriebsschaltkreis des Motors, der in Fig. 1 nur schematisch gezeigt ist, ist auf einem Schaltkreis-Board 53 aufgebracht und zwischen der La gerhalterung 45, der hermetisch abgedichteten Kammer und der Endkappe 51 des Gehäuses untergebracht. Der elektronische Schaltkreis auf dem Board 53 beinhaltet Sensorenkabel, die sich hinunter zu den Hall-Effekt-Sensoren 54 erstrecken, die sich in der Nähe der Magnetpole 42 befinden, aber durch die Dicke der Hülse 44 räumlich von diesen getrennt sind, sowie Antriebskabel 55, die sich vom Board 53 zu den Wicklungen 58 des Ständers erstrecken.

Indem man den Antrieb in die Motorumgebung integriert, reduziert man die Anzahl an Kabeln, die durch den Benutzer des Ventils angeschlossen werden müssen. Anstelle von drei Stromkabeln gibt es nur zwei, und alle fünf Sensorkabel sind in nerhalb der Ventilanordnung beinhaltet und somit von der Verantwortlichkeit des Benutzers ausgeschlossen. Für den Anschluß des Motors sind nur zwei Kontroll kabel und zwei Stromkabel vonnöten, anstelle von acht, die normalerweise benötigt werden. Kontroll- und Stromkabel vom Board erstrecken sich durch die Endkappe 51 über einen zylindrischen Kanal 57 nach außen, der besonders ausgestaltet ist, um die Kabel hermetisch abzudichten, wobei PTFE-Druckdichtungen 70 und ein Epoxidharz 71 verwendet werden. Das Gehäuse ist innen mit Epoxidharz 72 aus gegossen.

Bezugnehmend auf Fig. 1 arbeiten alle der oben aufgezählten Motorkomponenten, um den Läufer 41 innerhalb seiner hermetisch abgedichteten Hülse 44 zu drehen, wodurch der Gewindekolben 43 im Ventilkern 30 gedreht wird, und somit das Ven tilelement zwischen geschlossener und offener Stellung hin- und herbewegt wird. Der Ventilkern 30 kann irgendwo zwischen den beiden Extremstellungen in jeder beliebigen Zwischenposition angeordnet werden, wie durch die Kontrollanweisun gen der verschiedenen Sensoren bestimmt.

Bezugnehmend auf Fig. 1, aber ebenso auf Fig. 6 und 7, gibt es einen Bereich in nerhalb des Abschnitts des Läufergehäuses 44 und des Ventilgehäuses 11, der sich als äußerst wichtig für die Langlebigkeit des geschlossenen bzw. abgedichte ten, motorgetriebenen Ventils herausgestellt hat, nämlich ein Kugellager oder eine andere Art von Wälzlager 60, das zwischen der zylindrischen Patrone 24 und dem Läuferantriebskolben 43 untergebracht ist.

Im besonderen bezugnehmend auf Fig. 6 und 7 ist eine Lageranordnung 60 ge zeigt, die einen äußeren Laufring 61, einen inneren Laufring 62 und eine Vielzahl von Wälzkörpern 63 aufweist, die dazwischen angeordnet sind und durch einen Lagerkäfig 64 an ihrem Platz gehalten werden. Die meisten solcher Lagerkäfige wurden bisher aus Metall hergestellt. Es sind auch solche aus Plastik bekannt, wie beispielsweise aus Polyimiden, die bekannterweise keinen großen chemischen Widerstand aufweisen. In der rauhen Umgebung des Ventilgehäuses 11 wirken die meisten zur Anwendung kommenden Flüssigkeiten als entfettende Mittel, insbe sondere in Verbindung mit langsamer oder teilweise unterbrochener Rotation. Dies minimiert den Effekt des Schmiermittels zwischen den Lagerelementen, beispiels weise dem äußeren Laufring und den Wälzkörpern, sowie dem inneren Laufring und dem Lagerkäfig, oder hebt ihn sogar auf. Der Lagerkäfig 64 der vorliegenden Erfindung besteht aus modifiziertem Polytetraflourethylen (PTFE) oder einem ähn lichen abnutzungsresistenten, chemisch widerstandsfähigen Material mit geringem Reibungskoeffizienten. Der Lagerkäfig 64 weist eine ringförmige Basis 65 und eine Vielzahl annähernd sphärischer Ausnehmungen 66 auf, die von einer oberen un terbrochenen ringförmigen Oberfläche 67 ausgehen, welche dadurch in eine dis krete Vielzahl von unregelmäßig viereckigen Oberflächen unterteilt wird. Jeder der Wälzkörper 63 paßt in eine der Ausnehmungen 66 und dreht sich darin, da der äu ßere Laufring 61 bevorzugterweise an einem Ort fest bleibt, und der innere Laufring 62 mit dem Antriebskolben 43 rotiert.

Es hat sich herausgestellt, daß bei Verwendung eines PTFE-Ummantelungs elements dieses selbst als Schmiermittel auf mikroskopischem oder molekularem Niveau dient. Wenn die Wälzkörper 63 in den Ausnehmungen 66 rotieren, wird eine mikroskopische Menge PTFE durch Abtragung zur äußeren Oberfläche der Wälz körper transferiert und dient zum Schmieren der gesamten Kugellageranordnung 60 in der rauhen Umgebung, die im Ventilgehäuse 11 normalerweise vorgefunden wird, nämlich eine von Fett- und Ölschmiermitteln freie Umgebung. Tests haben gezeigt, daß die Verwendung des PTFE-Lagerkäfigs 64 in der Kugellageranord nung 60 eine Lebenszeit des Lagers liefert, die die bisherige Lebenserwartung bei Verwendung eines traditionellen Stahl-Lagerkäfigs um das 50-fache oder mehr erhöht. Dies trägt wiederum stark zur langen Lebensdauer der geschlossenen, mit einem bürstenlosen Gleichstrom-Servomotor angetriebenen und im Druckgleich gewicht befindlichen Ventilanordnung der vorliegenden Erfindung bei. Es ist des weiteren angedacht, daß das PTFE-Material besonders effektiv im Hinblick auf die Stop- und Startzyklen ist, denen der Läufer unterzogen wird, wenn er als Reaktion auf die Strompulse, die durch die Antriebswicklungen zugeführt werden, Stück für Stück vorwärts rückt. Öl- und Fettschmiermittel neigen dazu, in dieser Umgebung nicht so effektiv zu sein wie erwartet. Das andere Ende des Läufers ist in einer Hül se gelagert, die typischerweise aus Graphit oder einem armierten Graphitmaterial besteht.

Der magnetische Schaltkreis

Bezugnehmend auf Fig. 1 sind Ständerwicklungen 58 mit einer Drahtlänge und einem Durchmesser konstruiert, die für eine vorgegebene Spitzenspannung und einen Spitzenstrom optimiert sind, um ein optimales elektromagnetisches Feld an das Ständereisen 48 zu liefern. Das Ständereisen 48 befindet sich in enger radialer Nachbarschaft zu einem Läufersystem mit Permanentmagneten 42, ist davon aber durch eine magnetisch transparente, hermetisch abgedichtete Hülse 44 getrennt. Das Ständereisen 48 ist in Dicke und Geometrie daraufhin optimiert, das elektro magnetische Feld an die Permanentmagneten 42 weiterzuleiten, und zwar über die durch die hermetische Hülse erzeugte Lücke, die größer ist als bei einem konven tionellen Motor. Die Permanentmagneten 42 sind im Hinblick Feldstärke und Dicke darauf optimiert, das elektromagnetische Feld mit den resultierenden Spitzendreh kräften umzusetzen, um schließlich eine Bewegung des Gewindekolbens 43 und des Ventilelements 30 hervorzurufen. Die Permanentmagneten 42 sind am Läufer 41 mittels magnetisch transparenter Stirnkappen 51 angebracht.

Der elektronische Schaltkreis

Idealerweise soll ein Betätigungsmotor für ein Steuerungsventil starke lineare An triebskräfte bei einer relativ geringen Geschwindigkeit und geringem Stromver brauch liefern, und das ganze mit großer Verläßlichkeit bei einem kompakten Äu ßeren und geringen Kosten. Die geringe Geschwindigkeit wird benötigt, damit sich das Ventil von der ganz geschlossenen zur ganz offenen Stellung innerhalb von sechs bis dreißig Sekunden bewegt, wobei fünfzehn Sekunden typisch sind, obwohl auch andere Geschwindigkeiten möglich sind, abhängig von der Größe des Ventils und anderen Parametern. Bei einer Anwendung mit einem Gewindeantrieb ohne zusätzliches Getriebe würde der Motor etwa fünfzig Umdrehungen pro Minute machen.

In der vorliegenden Erfindung wurden Nachteile des Standes der Technik über wunden, indem niederfrequent zerhackte Strompulse voller Spannung zum Antrieb des Motors verwendet werden. Die Frequenz des gepulsten Stromes beträgt un gefähr acht Hertz, so daß Hystereseverluste gering gehalten werden. Der Pulsan trieb treibt den Motor mit einem kurzen Arbeitszyklus, um den durchschnittlichen Strom zu minimieren, der zum Motor geleitet wird, wobei höhere Ströme und Drehmomente während der Versorgungsperiode möglich sind. Geringere Durch schnittsströme reduzieren die Leistung, die durch den Motor verteilt wird, was zu einer geringeren Temperaturerhöhung im Servomotor führt. An die Wicklungen wird unabhängig vom Widerstand maximale Spannung angelegt, und Veränderungen im Widerstand haben nur sehr geringe Auswirkung auf den Leistungseingang und die Wärmezunahme. Ein maximales Drehmoment ist für den Motor verfügbar, und die Motorgeschwindigkeit bleibt gering. Es werden keine Feedback-Kontrollen benötigt, wodurch eine effektive Drehmoments- und Geschwindigkeitskontrolle bei sehr ge ringen zusätzlichen Kosten erreicht wird.

Bei der verbesserten Antriebsmethode sind die Trägheiten und Reibungseffekte des motorisierten Systems typisch für Anwendungen von motorgetriebenen Venti len. Bezugnehmend auf Fig. 1 sind Versorgungs- und Steuerungskabel 73 an das Board 53 angeschlossen, um alle Versorgungs- und Kontrollanweisungen an das geschlossene motorgetriebene Ventil zu verabreichen. Hall-Effekt-Sensoren 54 sind außerhalb der Hülse 44 in enger radialer Nachbarschaft zu den Permanent magneten 42 angeordnet, um die Position des Läufersystems 41 zu messen. Die Signale der Sensoren werden zum Board 53 gesendet und dazu verwendet, die geeigneten Wicklungen zu bestimmen, die mit Energie versorgt werden sollen, um den Läufer zu drehen. Das Schaltkreis-Board 53 weist einen Motorantriebsschalt kreis auf, der auf Kommando kontinuierlich periodische Pulse von Spitzenströmen über kurze Leitungen 55 an die geeigneten Ständerwicklungen 58 sendet, um ein Spitzendrehmoment des Motors zu bewirken. Diese Spitzenstrompulse sind in ihrer Stärke, Frequenz und Länge darauf optimiert, eine einfache und verbesserte Vor richtung zu schaffen, die ein höheres Drehmoment bewirkt und die Geschwindigkeit des Motorantriebs sowie die Hitzebildung unter stark variierenden Widerstandsbe dingungen kontrolliert.

Fig. 9 zeigt den Zusammenhang zwischen Motorstrom oder Drehmoment und der Geschwindigkeit eines konventionellen Gleichstrom-Permanentmagnet-Motors, wenn der Motor bei konstanter Spannung angetrieben wird. Es zeigt, daß der höchste Strom und das größte Drehmoment bei einer gegebenen Spannung mög lich ist, wenn der Motor angehalten bzw. festgelegt ist.

Fig. 10 zeigt den Zusammenhang zwischen Durchschnittsstrom und Hitzeanstieg für einen komplett umschlossenen Motor. Der Graph zeigt, daß erhöhte Motorströ me eine erhöhte Hitzesteigerung zur Folge haben, und daß der Motor eine thermi sche Grenze besitzt, über der ein thermischer Zusammenbruch erfolgt und der Motor ausfällt.

Fig. 11 zeigt das Verhältnis zwischen Strom und Zeit für einen konventionellen Gleichstrom-Permanentmagnet-Motor, der bei konstanter Spannung angetrieben wird, wenn der Motor von einer angehaltenen Stellung (Stillstand) unter verschie denen Widerständen beschleunigt wird. Der größte Widerstand tritt bei einem an gehaltenen Motor auf, wo der Strom in bestimmter Zeit (ein typischer Wert liegt bei 15 Millisekunden, abhängig von Spannung, Induktivität und anderen Faktoren) ein maximales Niveau erreicht und bei diesem Maximalwert bleibt. Der maximale Strom für den Motor bei geringeren Widerständen liegt irgendwo darunter und tritt früher auf. Wenn der Motor bei diesem geringeren Widerstand beschleunigt, tritt der Trägheitswiderstand zurück und elektromagnetische Gegenkräfte steigen, was beides dazu führt, daß der Strom und das Drehmoment sinken. Wenn der Motor bei einem vorgegebenen Widerstand volle Geschwindigkeit erreicht, wirkt die von der Motorgeschwindigkeit produzierte elektromagnetische Gegenspannung dage gen und reduziert den Stromeingang als eine Funktion der Motorgeschwindigkeit.

Fig. 12 zeigt das Verhältnis zwischen Geschwindigkeit und Zeit für einen konven tionellen Gleichspannungs-Permanentmagnet-Motor, der bei konstanter Spannung angetrieben wird, wenn der Motor von einer angehaltenen Position unter verschie denen Widerständen beschleunigt. Die Endgeschwindigkeit des Motors ist eine Funktion des Motorwiderstands. Fig. 11 und 12 zeigen, daß es Widerstandsbedin gungen gibt, bei denen ein Motor Bewegung unter schweren Widerständen liefern kann, aber die Bewegung nicht für ausgedehnte Zeiträume ohne thermischen Zu sammenbruch aufrechterhalten kann. Sie zeigen, daß die Hitzeerzeugung, nicht das Drehmoment, ein begrenzender Faktor beim Betrieb eines konventionellen Motors ist. Motoren, die nur auf ein ausreichendes Drehmoment ausgerichtet sind, sind normalerweise für eine Anwendung untauglich, da es wahrscheinlich ist, daß der Motor überhitzt und ausfällt. Ein größerer Motor würde benötigt, wenn er kon ventionell angetrieben wird. Im Extremfall wird ein Motor, der für ausgedehntere Zeiträume angehalten wird, bei Verwendung konventioneller Antriebsmethoden typischerweise innerhalb einiger Stunden ausfallen, wie in Fig. 15 gezeigt ist.

Aus diesem Grund wurden bürstenlose Gleichstrommotoren nicht für geschlossene motorisierte Ventile verwendet, zumindest teilweise wegen der Schwierigkeiten, gleichzeitig die geringe Geschwindigkeit zu steuern und ein hohes Drehmoment zu liefern, ohne daß ein thermischer Zusammenbruch oder hohe Temperaturen auf treten. Üblicherweise liefert ein bürstenloser Servomotorantrieb Geschwindigkeits kontrolle über die Verwendung des Feedbacks einer geschlossenen Schleife von Hall-Effekt-Sensoren und durch Zerhacken hoher Frequenzen der Ausgangsspan nung zum Motor. Wenn der Motor gestartet wird und auf die eingestellte Ge schwindigkeit beschleunigt, hackt der Antrieb die volle Spannung bei hoher Fre quenz effektiv ab, um die auf den Motor wirkende Leistung zu reduzieren. Diese Methode erhöht die Kosten für den Antrieb und hat mehrere Nachteile. Zunächst ist die Frequenz des Zerhackens der Spannung typischerweise 1.500 Hz, was Hyste reseverluste zur Folge hat und den Motor erhitzt. Zum zweiten würde bei Bedin gungen mit schwerem Widerstand oder im angehaltenen Zustand der Motor über hitzen, wenn der Antrieb volle Spannung und Strom liefern würde. Es ist wün schenswert, daß der Motor in angehaltenem Zustand am Laufen gehalten wird (beispielsweise wenn das Ventil in einer geschlossenen Position ist), und die Hit zeerzeugung des Motors in einem solchen Zustand wäre bei Verwendung eines konventionellen Antriebs nicht tolerierbar.

Eine neue und verbesserte Antriebsmethode wurde entwickelt, um ein maximales Motordrehmoment ohne schädigende Hitzeerzeugung zu verwenden, wobei drei Faktoren in Betracht gezogen wurden; bei einer vorgegebenen Spannung sind das die Stromanstiegszeit der Ständerwicklungen, die Drehträgheit des Motors und der angetriebenen Komponenten sowie die elektromagnetische Gegenspannung, die durch die Motorgeschwindigkeit produziert wird. Eine Zeitspanne wird basierend auf diesen Faktoren ausgewählt, innerhalb der für eine vorgegebene Spannung wenigstens der maximale Stillstandsstrom erreicht würde, wenn der Motor ange halten würde, und die nicht länger sein soll, als nötig ist, um den Trägheitswider stand auf einen Bruchteil seines anfänglichen Wertes zurückfallen zu lassen und die elektromagnetische Gegenkraft gerade bedeutend werden zu lassen, wenn die Widerstände gering wären. Es ist wichtig, daß der Läufer zwischen den Zyklen deutlich langsamer wird oder zum Halten kommt. Der Läufer kann einen oder zwei Pole passieren, wenn nur ein leichter Widerstand vorhanden ist, oder weniger als einen Pol, wenn ein großer Widerstand vorhanden ist, aber der Läufer sollte zwi schen jedem Puls zu einem scheinbaren (virtuellen) Halt kommen. Wenn ein Motor in dieser Zeitspanne periodisch angetrieben wird, werden individuelle Bewegungs steigerungen durch den Motor übertragen, indem er starke, langsame Antriebs kräfte erzeugt, die relativ unsensibel gegenüber Veränderungen im Widerstand sind. Wenn dem Motor die volle Spannung zugeführt wird, während der Läufer ge stoppt ist, wird ein beträchtlicher Strom induziert, und die Dauer der Spannung und des Stroms ist derart, daß ein Impuls erzeugt wird, der ein maximales Drehmoment liefert, aber nur ein geringer Strom während einer Periode verschwendet wird, wenn das Motordrehmoment den Widerstand (bei geringem Widerstand) auf eine ungewünschte Geschwindigkeit beschleunigen würde. Zusätzlich sind die periodi schen Drehmomentimpulse stark genug, um schwere Widerstände mit einem ak zeptablen Tempo zu drehen, ohne daß sich ungewünschte Hitze aufstaut.

Unter Verwendung von allgemeinen elektronischen Steuerungsmethoden wird der Motor auf Kommando nur für eine kurze Zeitdauer periodisch in Betrieb gesetzt, und er darf für eine große Zeitspanne leerlaufen, wobei sich die Perioden wieder holen, solange die Anforderung besteht. Die Durchschnittsgeschwindigkeit und der Erhitzungsfaktor des Motors wird durch die Länge der Leerlaufzeit vorbestimmt. Ein typisches Verhältnis zwischen in Betrieb gesetzter Zeit zu gesamter Zeitdauer einer Periode liegt zwischen 5 und 25%.

Fig. 13 zeigt das Verhältnis zwischen Motorstrom unter verschiedenen Widerstän den und Zeit für die verbesserte Antriebsmethode. Die Wicklungen werden bei vor gegebener voller Spannung für die vorher erwähnte Antriebszeit mit Strom ver sorgt, dann wird der Strom für den Rest einer solchen Periode entfernt, und die Periode wird unbestimmt oft wiederholt, bis die Bewegungskräfte nicht länger an gefordert werden. Fig. 14 zeigt das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit des Motors unter verschiedenen Widerständen und Zeit für die verbesserte Antriebs methode. Wenn man nur den ersten Abschnitt der Geschwindigkeits-/Zeit- Charakteristik des Motors verwendet, wo er von einer angehaltenen Position be schleunigt, erreicht man einen Abschwächungseffekt im Verhältnis Geschwindigkeit zu Widerstand des Motorantriebs. Während der ersten wenigen Millisekunden ist der Trägheitswiderstand ein signifikanter Bruchteil des gesamten Widerstands des Systems (Trägheitswiderstand plus variabler Widerstand). Nach sechs oder sieben Millisekunden ist der Trägheitswiderstand überwunden, und die Widerstände wer den beträchtlich. Nach ungefähr 15 Millisekunden ist die elektromagnetische Ge genkraft gestiegen, der Strom abgeschnitten, und die Rotation des Läufers nimmt als praktische Folge davon ab. Obwohl die Wicklungen mit einem sehr kleinen oder einem "tropfenweisen" Strom zwischen den Pulsen versorgt werden könnten, und obwohl der Läufer scheinbar, wenn auch nicht buchstäblich, zum Halten kommen könnte, zeigt die praktische Anwendung der Erfindung, daß die stromübertragen den Pulse völlig oder zumindest in ihrer Mehrzahl abgeschnitten werden müssen, und daß der Läufer zwischen Pulsen gestoppt oder zumindest scheinbar (virtuell) angehalten werden muß.

Fig. 15 zeigt, daß ein thermischer Zusammenbruch auftritt, wenn ein Motor des Standes der Technik für längere Zeiträume gegen einen schweren Widerstand läuft, obwohl er fähig sein kann, ein ausreichendes Drehmoment zu liefern, um ei nen solchen Widerstand zu bewegen. Wenn man die verbesserte Antriebsmethode verwendet, kann der Motor auch unter schwerem Widerstand laufen, ohne daß thermische Probleme auftreten; der Durchschnittsstrom und die Hitzeerzeugung sind deutlich unter den Grenzwerten. Die untere Kurve in Fig. 15 zeigt den gerin gen Durchschnittsstrom des Motors bei Verwendung der verbesserten Antriebsmethode. Fig. 13 zeigt, daß die dem Motor zugeführte Leistung weitaus konstanter ist als bei Verwendung konventioneller Antriebsmethoden, und daß die Wärmestei gerung klein, nahezu konstant und im wesentlichen unabhängig vom Widerstand ist. Die von Natur aus geringe und beschränkte Leistung, die hier benötigt wird, macht es möglich, daß auch andere für geringe Leistung geeignete, alternative Energiequellen verwendet werden können. Beispiele für solche Energiequellen sind Batterien, Solarkraft, windgetriebene Generatoren usw. Die Funktionsleistung wird unter allen Widerstandsbedingungen verbessert, und Schutz vor Überhitzung ist in der Ausgestaltung gegeben. Zusammengefaßt wurde eine neue und verbesserte Methode erzielt, mit der man starke, langsame Bewegung von Ventilelementen erzielt.

Bezugnehmend auf Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform einer geschlossenen motorgetriebenen Ventilanordnung 210 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wenn, wie in den Zeichnungen gezeigt, von rechts Durchfluß auftritt, ist das Ventil ein Umleitventil. Wenn der Durchfluß nach rechts geht, ist es ein Mischventil. Das Ventil 210 weist ein Ventilgehäuse 211 auf, das ein Durchflußdesign aufweist und in den meisten Punkten ähnlich zu dem in Fig. 1 gezeigten Ventil ist, außer daß anstelle des Gehäusekörpers mit zwei Kanälen einer mit drei Kanälen vorgesehen ist. Desweiteren besitzt der Ventilkern 230 ein Paar von Ventilsitzringen 233 und 233a, die den Kern 230 umgeben, und der Kern besitzt zwei Segmente 230 und 249. Folglich erstreckt sich der Gewindekolben 243 nach unten in das obere Seg ment 249 des Ventilkerns hinein.

Wieder bezugnehmend auf Fig. 2 weist das Gehäuse 211 eine Eingangsöffnung 213 und zwei Ausgangsöffnungen, Bohrungen 215 und 218, auf. Das Gehäuse 211 weist desweiteren zusätzlich zu dem weiter unten angeordneten abgewinkelten Ventilsitz 222 einen ringförmigen Ventilsitz 229 auf, der am unteren Rand der zylin drischen Patrone 228 ausgebildet ist. Der Motorbefestigungsflansch 216 des Ven tilgehäuses, der Motor 240 mit dem Läufer 241, die Permanentmagneten 242 und die Hall-Effekt-Sensoren 254 sind dieselben wie ihre Entsprechungen in Fig. 1.

Während des Betriebs bewegt sich der Ventilkern zwischen den Ventilsitzen 229 und 222 und erlaubt so einer wechselnden Menge an Flüssigkeit über Kanal 215 auszutreten. Wenn im Kanal 215 kein Durchfluß ist, strömt der gesamte Inhalt von Kanal 213 in den Kanal 218. Wenn sich der Ventilkern in der anderen Extremposi tion befindet, fließt die Flüssigkeit durch Kanal 215. In jeder anderen Position des Ventilkerns 230 kommen beide Ventilsitzringe 233, 233a nicht mit den Ventilsitzen 230, 222 in Eingriff, und der Anteil des Flüssigkeitsdurchflusses, der in jeden Aus gangskanal strömt, ist durch ein kontrolliertes Verhältnis gesteuert, das von der genauen Stellung des Ventilkerns 230 abhängt.

Bezugnehmend auf Fig. 3 ist ein geschlossenes, motorgetriebenes Ventil 310 mit vier Kanälen gezeigt, welches typischerweise für jahreszeitliche Veränderungen in einer Klimatisierungsvorrichtung mit Verdichter (Kompressor)/Verdampfer (Evapo rator) verwendet wird. Das Ventilgehäuse 11 ist ein typisches Vier-Kanal- Ventilgehäuse, das ein Durchflußdesign mit einer ringförmigen Kompressor- Entladungsverbindung 312 und einem Kompressor-Entladungskanal 313 aufweist, der sich zentral in eine rechteckige gewöhnliche Schieberkammer 322 erstreckt. Auf der gegenüberliegenden Seite des Ventilgehäuses 311 ist eine ringförmige Verdampferverbindung 318, die zu einem Verdampferkanal 315 führt, eine ringför mige Ansaugverbindung 316, die zu einem Ansaugkanal 317 führt, und eine ring förmige Kondensorverbindung 318, die zu einem Kondensorkanal 319 führt, ange ordnet. Jeder der Kanäle 315, 317, 319 erstreckt sich nach innen durch das Ventil gehäuse 311 in die rechteckige gewöhnliche Schieberkammer 322.

An der unteren Seite des Ventilgehäuses 311 befindet sich ein zylindrischer Stop fen 320, der über ein Gewinde mit dem Ventilgehäuse 311 in Eingriff steht und über eine geeignete Dichtung, die schematisch unter 321 dargestellt ist, abgedichtet ist. An der sich nach oben erstreckenden Seite des Ventilgehäuses 311 befindet sich eine ringförmige Befestigungsfläche 316a für den elektrischen Motor, mit einer Senkung 323, die sich von dort aus nach unten erstreckt und durch eine Schulter 316b begrenzt wird. Neben der Schulter 316b befindet sich die Schieberkammer 322. Die Endfläche der Senkung nimmt eine Patrone 324 auf, welche Lager 325 trägt, die wiederum den Endabschnitt eines rotierenden Gewindekolbens 335 füh rend umgibt. Der Gewinde- oder Schraubenkolben wird durch einen Läufer 341 angetrieben, und die anderen Komponenten des Läufers 340 sind genauso ausgestaltet wie beispielsweise ihre Entsprechungen in den Fig. 1 und 2.

Der Gewindekolben 335 erstreckt sich nach unten in den Ventilkern 342, der aus einem harten, selbstschmierenden Material wie beispielsweise gefülltem PTFE- Material oder dergleichen gemacht ist. Der Ventilkern 342 weist eine Gewindeboh rung 343 auf, um den Gewindekolben 335 aufzunehmen. Der Ventilkern 342 be wegt sich somit senkrecht in der Schieberkammer 322 zwischen verschiedenen Stellungen, um die Durchgangspassage 328 im Gehäuse mit den Kanälen 315, 317, 319 passend zu verbinden. Wenn der Kolben 335 rotiert und der Ventilkern 342 sich nach oben bewegt, hält er letztlich in einer Stellung an, wo seine obere Fläche 329 mit der oberen Fläche 331 des Kanals 315 eben ausgerichtet aneinan der liegt, und die untere Oberfläche 330 mit der unteren Oberfläche 332 des Kanals 317 eben abschließt.

In dieser Stellung sind die Kanäle 315 und 317 miteinander verbunden, und die Kanäle 319 und 313 ebenfalls. Der Ventilkern 343 ist flüssigkeitsdicht innerhalb des Gehäuses 311 an seinen Seiten abgedichtet (nicht gezeigt), und die Endflächen 351, 353 des Ventilkerns (in Fig. 3 nach links ausgerichtet) sind so gestaltet, daß selbst ein sehr leichter Druck in Kanal 313 sie in flüssigkeits- oder gasdichte Ver bindung gegen die Sitze drückt, die durch die Eingänge/Ausgänge der Kanäle 315, 317, 319 gebildet werden. Da der Ventilkern sich pro Jahr nur selten bewegt, viel leicht zweimal oder maximal vier-, sechs- oder achtmal pro Jahr, ist der auftretende Querfluß der Flüssigkeiten während der Zeit, in der sich der Ventilkern bewegt, nicht von besonderer Wichtigkeit.

Bezugnehmend auf Fig. 4 ist ein motorgetriebenes Ventil 410 gezeigt, welches sehr ähnlich zum Ventil 310 aus Fig. 3 ist. Der Hauptunterschied zwischen diesen Ventilen besteht darin, daß es zwei gemeinsame Durchgangspassagen 428 im Ventilkern 442 gibt, und eine entsprechend größere Anzahl an Eingangs- und Aus gangskanälen. So enthält das Ventilgehäuse 411 beispielsweise einen Kompres sor-Ausströmungskanal 412, der in einem Kanal 413 endet, welcher in das Innere der Schieberkammer 422 führt. Die Kammer 422 wird an ihrem unteren Ende durch einen Stopfen 420 und eine geeignete Dichtung 421 begrenzt, die gemeinsam mit der hermetischen Dichtung um das den Läufer umgebenden Gehäuse 444 den gesamten Mechanismus innerhalb der Hülse und des Ventils hermetisch abge dichtet hält.

Die Schieberkammer 422 im Ventilgehäuse 411 ist so ausgestaltet, daß der Ventil kern 442, der bevorzugterweise aus einem PTFE-Material oder dergleichen be steht, leicht darin auf und abgleitet und trotzdem gut an seinen Endoberflächen abdichtet. In dieser Stellung ist der Kompressor-Ausströmungskanal 413 zusam menpassend mit dem untersten Kanal 415n angeordnet. Es sind auch die zwei Kanäle 415j und 415o miteinander in Verbindung, ebenso die Kanäle 415a und 415b. Der Gewindekolben 435 ist am Läufer 441 befestigt und wird durch diesen angetrieben. Wenn der Ventilkern 442 durch Rotation des Gewindekolbens 435 bewegt wird, in diesem Fall nach unten, wird der Kompressor-Ausströmungskanal 413 mit dem Kanal 415a verbunden, Kanal 415b und Kanal 415j treten in Verbin dung, und Kanal 415o mit Kanal 415n. Die Endflächen 455 des Gehäuses 411, die die Kanäle umgeben, und die Endflächen 457 an den Kanälen selbst sind so ange ordnet, daß selbst ein leichter Kompressor-Ausströmungsdruck aus Kanal 413 den Kern genügend anpressen wird, um sicherzustellen, daß eine druckdichte Abdich tung gegenüber den Kanälen erfolgt, mit denen die Endflächen 457 verbunden werden.

Der Motor arbeitet ebenso wie in den anderen Ausführungsformen, und er bewegt den Ventilkern 442 üblicherweise zu einer von zwei Positionen wie in der Ausfüh rungsform von Fig. 3.

Im allgemeinen bezugnehmend auf Fig. 5, 5a und 5b wird ein druckunterstütztes, abgeschlossenes, motorgetriebenes Ventil zur Steuerung des Durchflusses bei größeren Durchflußflächen oder höheren Flüssigkeitsdrücken verwendet, wobei verhältnismäßig kleine Motoren verwendet werden. Ein Ventil 510 ist gezeigt, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Es beinhaltet ein Ventilgehäuse 511, das ein Durchflußdesign aufweist, mit einem ringförmigen Ein gangsflansch 512, mit einem Eingangskanal 513, der sich mittig davon in das Ven tilgehäuse 511 hinein und teilweise schräg darin erstreckt. Auf der gegenüberlie genden Seite des Ventilgehäuses 511 sind ein ringförmiger Ausgangsflansch 511 und ein Ausgangskanal 515 angeordnet, der sich nach innen teilweise durch das Ventilgehäuse erstreckt.

Im zentralen Abschnitt des Ventilgehäuses 511 befindet sich eine S-förmige Trennwand 520, die den Eingangskanal 513 vom Ausgangskanal 515 trennt. In der Mitte der Trennwand 520 befindet sich eine ringförmige Ventilsitzbohrung 521, die sich durch die Trennwand 520 erstreckt und entlang ihrer oberen Kante einen schrägen Ventilsitz 522 aufweist. Ein ringförmiger Befestigungsflansch für den elektrischen Motor, der oben auf dem Ventilgehäuse 511 befestigt ist, weist eine kurze zentrale Senkung 523a, die sich senkrecht an der Innenseite des Flansches erstreckt und in einer Schulter 523b endet, und eine Hauptbohrung 523 auf, die darunter zur Aufnahme einer Patrone 524 liegt. Insbesondere unter Bezugnahme auf Fig. 5a ist die Patrone 524 hohlförmig ausgebildet und an der Schulter 523b befestigt. Die Patrone weist einen die Drehbewegung verhindernden Stift 536 auf, der sich durch sie hindurch erstreckt, und einen Schulterabschnitt 523c, der auf einer Dichtung in der Senkung 523a sitzt. Eine Dichtung 549 liegt in einer Rille 550 in der Patrone und bildet eine hermetische Druckabdichtung für die Hülse, die oben auf der Patrone 524 angeordnet ist.

Der Ventilkern 530 weist in diesem Fall zwei Hauptelemente auf, eine obere Steu ereinheit 531 und einen unteren Ventilkern 504. Der untere Ventilkern 504 weist einen Ventilsitzring 533 auf, eine äußere Schulter 534, eine Dichtungsrille 535 mit einer Dichtung 535a und einen Druckkanal 509 in der Schulter 534.

Das Innere des Ventilkerns 509 beinhaltet eine zweite Schulter 540, unter der eine Innenwand 537 und über der eine mit einem Gewinde versehene Senkung 538 und eine Sitzfläche 539 für den eigentlichen Ventilsitzring 566 angeordnet ist.

Besonders bezugnehmend auf Fig. 5b weist die Steuereinheit 531 eine teilweise gewindete Bohrung 560, eine Rille 561, in der ein Stift 536 gleitet, und eine kegel förmige Verjüngung 563 auf, die zwischen dem unteren Abschnitt 564 (der locker in die zweite Schulter 540 paßt) und der oberen Schulter 564 liegt. Die Verjüngung 563 tritt in Verbindung mit einem PTFE-Dichtungsring 566, wenn sich der Schieber in seiner untersten Stellung befindet. Es gibt nur einen geringen Bewegungsverlust zwischen den zwei Einheiten 531, 504, da der Gewindering 570 den Ventilkern und die Steuereinheit aneinanderschließt, aber eine leichte Gleitbewegung zwischen Steuereinheit 531 und Ventilkern 504 erlaubt.

Ein Durchflußkanal 507 erstreckt sich durch den Ventilkern 504 und verbindet die Druckausgleichskammer 508 mit dem hohlen, ringförmigen unteren Abschnitt des Ventilkerns 504. Die geringe axiale Verschiebung des Ventilkerns 504 relativ zum Führungselement 530 erlaubt es, daß die konische Sitzoberfläche 563 eng mit dem Ventilsitzring 566 in Eingriff kommt. Diese Verschiebung öffnet oder schließt den Durchflußkanal 507. Die Druckausgleichskammer 508 ist mit dem Eingangskanal 513 über einen Ausströmungskanal 509 und mit dem Ausgangskanal 515 über den Durchflußkanal 507 und den unteren, hohlförmigen Abschnitt des Ventilelements 504 verbunden. Das Öffnen oder Schließen des Durchflußkanals 507 bewirkt des halb Druckveränderungen in der Druckausgleichskammer 508, was Kräfte auf das Ventilelement 504 in derselben Wirkungsrichtung zur Folge hat, die das Führungs element 531 als Resultat der motorgetriebenen Bewegung verwendet, wodurch weitaus größere Ventile und Flüssigkeitsdrücke effektiv durch vergleichsweise klei ne Motoren gesteuert werden können. Bei normaler Benutzung, bei hohem Druck im Eingang 513, schweben die Steuereinheit 531 und der Ventilkern 504 relativ zueinander, und es existiert keine reine Kraft, die den Kern 504 bewegen will. Wenn jedoch die Steuereinheit bewegt wird, folgt der Kern 504 dem Schieber unter dem Einfluß des Flüssigkeitsdruckes.

Bezugnehmend auf Fig. 8 ist ein motorgetriebenes Ventil gezeigt, das ein Feed back hinsichtlich der Position verwendet, um die exakte Einstellung des Ventils zu steuern. Die Messung der Position des Ventilelements 630 und, wenn nötig, daran angepaßte Handlungen, werden durch ein einziges Kontrollsystem vorgenommen, das nicht beschrieben wird. Das Ventil 610 selbst, mit dem Ventilkern 630, ist ähn lich zu seiner Entsprechung in den anderen Beispielen. Der Ventilkern 630 und der Gewindekolben 643, der ein Teil des Kerns ist, bewegen sich hinauf und hinunter als Folge der Drehung des Läufers 641. Eine Gewindemutter 634 aus PTFE oder einem ähnlichen Material mit geringem Reibungskoeffizienten ist in dieser Ausfüh rungsform durch wenigstens einen Stift am Läuferantrieb befestigt. Demgemäß treibt die Rotation des Läufers den Kolben nach oben und unten. Die Ausfüh rungsform aus Fig. 8 ist im Detail auch in mehreren anderen Aspekten unterschiedlich. Oben auf dem Gewindekolben 643 befindet sich eine Verlängerung 622, und in dieser Ausführungsform ist die Verlängerung an einem Eisenläufer 621 befestigt. Der Läufer 621 befindet sich innerhalb eines oberen zylindrischen Abschnitts 623 der Hülse 644 und wird dort durch eine Kappe 645 gehalten, die eine hohlförmige Mitte aufweist und als Befestigung für eine Hülse 646 dient. Das oberste Ende der Hülsenverlängerung 623 ist durch eine Kappe 648 verschlossen. Demgemäß weist die Hülse einen vergrößerten Seitenwandabschnitt 644, eine Kappe 645 mit einer offenen Mitte, eine Kappenerweiterung 623 und eine über allem angeordnete Kap pe 648 auf. Diese schließen den Eisenläufer ebenso wie die Verlängerung und den Kolben 643 ein. Der Eisenläufer 621 bewegt sich innerhalb der magnetisch trans parenten Hülsenverlängerung 623 nach oben und unten, wobei seine Position durch einen LVDT (linear verstellbarer Differentialwandler) 649 oder eine andere Vorrichtung gemessen wird. Eine Einlage 650 besitzt einen hohlen Zentralabschnitt und wird in den Läufer 641 hineingedrückt, nachdem die Gewindemutter 634 an ihren Platz geschraubt wurde und über die Stifte 651 festgesetzt ist. Der obere Teil der Einlage 650 wird durch die Hülse 646 umgeben, die bevorzugterweise aus ei nem imprägnierten Karbonmaterial besteht, das in die Kappe 645 mit der offenen Mitte gedrückt wird.

Der elektronische Schaltkreis, der verwendet wird, um den Motor anzutreiben, wäh rend die Position des Ventilelements 630 gemessen wird, ist ähnlich zu dem grundlegenden Motorantrieb, weist aber auch einen Schaltkreis zur Versorgung der Sensoren, zur Aufnahme des Feedback-Signals hinsichtlich der Position und zum Beantworten der Positionsinformation auf. Während der grundlegende Antriebs schaltkreis ohne das Feedback der Stellung des Ventilelements Eingangskabel aufweist, die aus zwei Versorgungseingängen und zwei Bewegungssteuerungsein gängen (floating control) bestehen, weist der verbesserte Steuerungsantrieb mit Feedback-Positionierung Eingangskabel auf, die typischerweise aus zwei Versor gungseingängen und einem zweikabeligen 4 bis 20 mA-Eingang bestehen. Der Schaltkreis ist so gestaltet, daß er das Ventil in die geschlossene Stellung treibt, bis das Feedback über ein 4 mA-Eingangssignal bestätigt, daß das Ventil geschlossen ist. Er treibt das Ventil zum Öffnen an, bis das Feedback bestätigt, daß das Ventil für ein 20 mA-Signal offen ist, und hält das Ventil bei jeder Stellung dazwischen, entsprechend dem mA-Signal, das zum Antrieb gesendet wird. Unter einigen Bedingungen kann eine verbesserte Steuerung der Flüssigkeiten mit diesem Typ von Positionierungs-Feedback realisiert werden. Andere Verschiebungssensoren kön nen anstelle des LVDT verwendet werden, aber auch sie senden Positionsinforma tion direkt an den Antriebsschaltkreis. Die Signale dieser Vorrichtungen sind nicht flüchtig und verlangen keine Neueinstellung nach einem Stromausfall.

Wenn Annäherungssensoren verwendet werden, dienen sie als vielfache Refe renzpunkte für den zwischendurch stattfindenden Abgleich eines Zählschaltkreises, wobei die vorhandenen Stromumkehr-Hall-Effekt-Vorrichtungen 654 verwendet werden. Die Hall-Effekt-Vorrichtungen sind neben der magnetischen Lücke zwi schen Läufer 641 und Ständer angeordnet und liefern dort eine Positionsmessung des Ventilelements von hoher Auflösung. Das wird bewerkstelligt, indem die Pulse in der Reihenfolge gezählt werden, in der sie von den Sensoren 654 ausgesendet werden, um die Entfernung und die Richtung der Bewegung zu bestimmen.

Die mehrfachen Grundstellungen der Grenztaster liefern eine nicht flüchtige Positi onsinformation an das Zählregister im Antriebsschaltkreis 653, so daß im Fall eines Stromausfalls die Register genau abgeglichen werden können, während nur ein kleiner und kurzlebiger Fehler zugelassen wird, bis einer der Referenzpunkte pas siert wurde.

Bezugnehmend auf Fig. 16 und 17 sind zwei Ansichten eines verwandten, aber doch unterschiedlichen motorgetriebenen Ventils gezeigt, das die vorliegende Er findung verkörpert. In Fig. 16 und 17 sind die Aspekte des motorgetriebenen Ven tils 710 ähnlich zu seiner Entsprechung (beispielsweise in Fig. 1 bis 5), und beson ders der Abschnitt mit dem Motor ist mit der Entsprechung in den vorherigen Figu ren identisch (oder kann zumindest identisch sein).

Allerdings ist in der Ausführungsform der Fig. 16 und 17 das Ventilgehäuse 710 beträchtlich unterschiedlich gestaltet. Beispielsweise weist das Ventilgehäuse 711 einen sich horizontal erstreckenden Flansch 712 auf, der den obersten Abschnitt 713 der Patrone beinhaltet, die die Lager 715 in sich trägt. Der untere Abschnitt des Gehäuses 711 weist einen sich vertikal erstreckenden Abschnitt 716, einen unteren Wandabschnitt 717 und einen Ausschnitt 718 für die Lager, der in einem Einschnitt 719 in der unteren Wand des Gehäuses 711 gebildet ist, auf. Ein dreh barer Kolben 743, der wiederum bevorzugterweise aus gefülltem PTFE-Material zur Selbstschmierung hergestellt ist, kommt mit einer gleitenden abgeflachten Mutter 720 mit einem mit einem Gewinde versehenen Inneren 721 in Eingriff. Die Mutter 720 weist in sich einen Stift 722 auf, der mit einem verlängerten Schlitz 723 in Eingriff kommt, der in jedem Arm 724a des Bügels 724 ausgebildet ist. Ein ver größerter Kopfabschnitt 725 des Bügels umgibt den Stiel 726 eines segmentierten Kugelventilkerns 736. Die Öffnung 727 für den Kolben 726 ist so groß ausgestaltet, daß keine relative Rotation zwischen den beiden existiert. Dies kann mit Hilfe eines Stiftes, eines Nutkeils oder auf andere zweckmäßige Weise erreicht werden.

Besonders bezugnehmend auf Fig. 17 wird der Stab 726 durch Lager 728 und das Ende der drehbaren Stabhalterung 731, die in einem Einschnitt 732 des Ventilge häuses 733 ausgebildet ist, unterstützt. Das Gehäuse 733 kann durch einen Flansch 734 und mehrere Schrauben 735 (mit einer Ausnehmung im Schrauben kopf) an einer Wand 716 des Gehäuses befestigt werden. Das segmentierte Ku gelventil 736 wird derart angetrieben, daß eine Rotation des Stabes 726 dazu dient, den Ventilkern zwischen einer offenen und einer geschlossenen Stellung zu bewegen.

Eine weitere Anwendung des Motors zum Antrieb eines Vierteldrehungsventils ist in Fig. 18 gezeigt. Hierbei sind die motorgetriebene Anordnung 810 mit dem Motor 840 selbst, der Schutzabdeckung 850 und die innere Hülse 844 identisch zu ihren Entsprechungen, wie auch die restlichen Abschnitte des Ventils am Aufpressele ment 846 oder darüber.

Der untere Abschnitt des Ventilgehäuses weist eine Öffnung 812 für Befestigungs mittel 813, ein Gehäuse mit Seitenwänden 816 und einer unteren Wand 817 auf, in welcher sich ein Einschnitt 818 befindet, der einen Satz Kugellager 819 zur Lage rung des unteren Endes eines drehbaren Kolbens 842 beinhaltet. Der drehbare Kolben 843 besitzt ein Gewinde 843a und kommt mit den Zähnen 844 am Rad 845 in Eingriff, welches, beispielsweise an seinem Innendurchmesser 827, an die Stan ge 826 gesichert ist. Gemäß dieser Anordnung wird die Ventilstange 826 gedreht, und es tritt ein beträchtlicher mechanischer Vorteil zwischen dem Gewindekolben 843 und der Stange 826 auf. Demgemäß ist diese Einheit darauf ausgerichtet, in einigen Ausführungsformen einen größeren mechanischen Vorteil zu liefern, und so könnte ein Ventil größeren Durchmessers gedreht werden als in den Fällen mit den entsprechenden Ventilen, die beispielsweise in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind.

Bezugnehmend auf Fig. 19 ist ein Blockdiagramm für einen Ventilantriebsschalt kreis gezeigt. In Fig. 19 liefert eine Fernsteuerung oder ein Computer 900 entweder "Auf"- oder "Zu"-Steuerungssignale an einen angeschlossenen Puffer 901, 902. Der Pufferausgang wird an die Impuls-Torschaltung (Puls-Gate) 903 geleitet. Es gibt zwei Ausgänge dieser Schaltung. Der erste Ausgang führt zum Pulsgenerator 904, der die Vorderflanke des Ausgangssignals des Pulsgenerators mit der Vorder flanke des zweiten Ausgangs der Impuls-Torschaltung synchronisiert. Der zweite Ausgang der Impuls-Torschaltung 903 und der Ausgang des Pulsgenerators 904 werden an die Treiberschaltung (Antriebs-Gate) 905 weitergeleitet. Das Antriebs- Gate 905 sendet einen Puls, der ein "Lauf"-Signal an den Motorantrieb 906 weiter gibt. Die Synchronisation des Ausgangs des Pulsgenerators mit dem Ausgang des zweiten Puls-Gates stellt sicher, daß die Antriebspulse des Antriebs-Gates 905 nur bei entsprechend geschalteten Kontrollsignalen initiiert werden.

Die Pulssignale des Antriebs-Gates sind periodisch unterbrochen und sprechen den Ausgang des Motorantriebs in einem Verhältnis "an" zu "aus" von etwa 1/10 an. Die Rotation des Motors wird durch die drei Hall-Effekt-Vorrichtungen H₁, H₂, H₃ kommutiert, die ein Positions-Feedback des Läufers an den Motorantrieb 906 lie fern, welcher wiederum die geeigneten Wicklungen mit Spannung versorgt, um den Motor 907 anzutreiben. Der Motor treibt dann das Ventil in Richtung einer offenen oder geschlossenen Stellung an, abhängig vom Richtungssignal, das vom Ein gangspuffer 902 gesendet wird.

Bezugnehmend auf Fig. 20 ist ein Schaltkreis gezeigt, der eine Batterie als Ersatz zur Betätigung des Ventils verwendet, falls ein Stromausfall auftritt. Fig. 20 zeigt, daß das Stromversorgungs-Gate 952 die Versorgungsspannung an den Motoran triebsschaltkreis 957 leitet, wenn volle Spannung von einer externen Versorgung vorhanden ist. Das Versorgungs-Gate 952 leitet auch den Ausgang des Batteriela ders 950 zum Laden an das Batteriepacks 951. Der Leistungsmonitor 954 signalisiert dem Richtungs-Ausgangs-Gate 955, die "Auf"- und "Zu"-Signale von der ex ternen Steuerung zum Schaltkreis 957 des Motorantriebs zu leiten.

Der fehlersichere (Ausfallsicherungs-)Auswahlschalter 956 ist ein manueller He belschalter mit drei Positionen: "auf", "aus" und "zu". Wenn die Spannung der ex ternen Versorgung verlorengeht oder unter ein bestimmtes Niveau fällt, signalisiert der Leistungsmonitor 954 dem Richtungs-Ausgangs-Gate 955, die "Auf"- oder "Zu"- Signale vom fehlersicheren Auswahlschalter 956 zum Schaltkreis 957 des Motor antriebs zu leiten. Wenn die externe Versorgung verloren wird, oder wenn der feh lersichere Schalter 956 aktiviert ist, signalisiert das Richtungs-Ausgangs-Gate 955 dem Verzögerungsgenerator 953, ein Signal an das Versorgungs-Gate 952 zu in itiieren, um Leistung für eine bestimmte Zeitperiode, typischerweise für 30 Sekun den, vom Batteriepack 951 zum Schaltkreis 957 des Motorantriebs zu leiten. Diese begrenzte Periode erlaubt es dem Ventil, sich im Falle eines Stromausfalls völlig zu öffnen oder zu schließen. Während hier eine bevorzugte Methode der Betätigung des Ventils im Falle eines Stromausfalls gezeigt ist, werden andere äquivalente Möglichkeiten und Methoden einem Fachmann offensichtlich erscheinen.

In der vorangehenden Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen wurde stark auf Hall-Effekt-Vorrichtungen Bezug genommen. Diese Vorrichtungen arbei ten viel schneller als beispielsweise ein Reed-Relais. Verschiedene optische Vor richtungen wären geeignet, wenn nicht die Umhüllung des Motors die Verwendung dieser Vorrichtungen unmöglich machen würde. In anderen Worten, die Anordnung der Umhüllung zwischen Läufer und Ständer eliminiert die Möglichkeit der Verwen dung solcher optischer Schaltvorrichtungen. Folglich soll der Ausdruck "Hall-Effekt- Vorrichtungen" auch Magnetfeldvorrichtungen beinhalten sowie alle anderen äqui valenten Vorrichtungen, die in der Zukunft entwickelt werden können.

Die vorliegende Erfindung liefert also eine Vielzahl geschlossener Motoren und motorgetriebener Ventile, einschließlich der Ventile mit axial beweglichen Ventil kernen, mit einem gleitenden, blockartigen Ventilkern oder einem aus der Vielzahl von Vierteldrehungsventilen, die durch verschiedene Mechanismen angetrieben werden, außerdem ein Verfahren zur Betätigung des Motors, wobei dem Motor Pulssignale zugeführt werden, wenn er angehalten ist, wobei all diese Motoren und Ventile eine Anzahl an Vorteilen und Charakteristika aufweisen, die zum Teil aus drücklich aufgezeigt wurden.

Claims

1. Motorgetriebenes Ventil
mit einem Ventilgehäuse, das wenigstens einen Eingang und wenigstens einen Ausgang, wenigstens einen Eingangskanal und wenigstens einen Ausgangskanal sowie wenigstens ein zwischen Eingangs- und Ausgangs kanal angeordnetes Ventilelement aufweist, wobei das wenigstens eine Ventilelement zur Bewegung zwischen verschiedenen Positionen befestigt ist,
mit einem Läufer und einem Antriebselement zur Bewegung des Ventilele mentes, wobei das Antriebselement und das Ventilelement derart verbun den sind, daß eine Drehung des Läufers und des Antriebselementes eine Bewegung des Ventilelementes verursacht, wobei der Läufer eine Vielzahl von räumlich getrennt zueinander angeordneten Permanentmagneten in sich aufweist,
mit wenigstens einer Lageranordnung, die mit dem Antriebselement und/oder dem Läufer in Verbindung steht, wobei der Läufer am einen Ende durch eine magnetisch transparente Umhüllung eingeschlossen ist, und am anderen Ende hermetisch dichtend mit dem Ventilgehäuse verbunden ist, und
mit einem Antriebsständer, der nahe außerhalb dieser Umhüllung liegt und Antriebswicklungen und eine Vielzahl von Hall-Effekt-Vorrichtungen zur Stromumkehr in den Wicklungen aufweist.

2. Motorgetriebenes Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement einen mit einem Gewinde versehenen Kolben aufweist, der sich in axialer Richtung senkrecht zum Ende des Läufers erstreckt, wo bei der Kolben über das Gewinde in Verbindung zum Ventilelement steht.

3. Motorgetriebenes Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben und das Ventilelement zumindest eine Oberflächenschicht aus ei nem selbstschmierenden Material aufweist, das PTFE beinhaltet.

4. Motorgetriebenes Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer einen mit einem Gewinde versehenen Abschnitt in seinem Kern auf weist, und das Ventilelement einen Gewindekolben aufweist, der mit dem Gewindeabschnitt in Eingriff kommt und sich als Folge der Rotation des Läufers axial bewegt.

5. Motorgetriebenes Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Lageranordnung eine Viel zahl von Wälzkörpern, wenigstens einen Laufring für die Wälzkörper sowie einen Lagerkäfig für die Wälzkörper aufweist, wobei der Lagerkäfig aus ei nem chemisch widerstandsfähigen, selbstschmierenden Material besteht.

6. Motorgetriebenes Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerkäfig während der Benutzung mit den Wälzkörpern an deren oberer Oberfläche mit zumindest dem größeren von zwei den Gesamtumfang bil denden Abschnitten in Eingriff kommt und die Wälzkörper unterstützt.

7. Motorgetriebenes Ventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Lageranordnung eine Hülse aufweist, die aus ei nem armierten Graphitmaterial gebildet ist.

8. Motorgetriebenes Ventil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß das selbstschmierende Material ein PTFE-Material auf weist.

9. Motorgetriebenes Ventil nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Wälzkörper Kugellagerelemente sind.

10. Motorgetriebenes Ventil nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Wälzkörper glatte Lagerelemente oder Kegelrollen sind.

11. Motorgetriebenes Ventil nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß der Lagerkäfig die Wälzkörper derart umgibt, daß es über zumindest 15% der Oberfläche der Wälzkörper mit diesen in gleitendem Kontakt ist.

12. Motorgetriebenes Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß es eine Vorrichtung aufweist, um die Rotation des Ventilelements zu verhindern, während es sich axial bewegen darf.

13. Motorgetriebenes Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß es desweiteren eine zweite, äußere Umhüllung sowie einen Antriebsschaltkreis aufweist, wobei die zweite, äußere Umhül lung um den Antriebsschaltkreis, den Ständer, die Antriebswicklungen und die Hall-Effekt-Vorrichtungen in flüssigkeitsdichter Verbindung angeordnet ist.

14. Motorgetriebenes Ventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite, äußere Umhüllung druckdicht abgedichtet ist.

15. Motorgetriebenes Ventil nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeich net, daß die zweite, äußere Umhüllung entfernbar ist, ohne die Dichtung in der inneren Umhüllung zu beeinträchtigen.

16. Motorgetriebenes Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der elektrische Schaltkreis eine Vorrichtung be inhaltet, die eine Verbindung zu einer direkten Stromquelle herstellt, und ebenso zu einem Batteriepack, wobei das Batteriepack zum Antreiben des Läufers mittels eines Schaltkreises angeregt werden kann, der eine Vor richtung aufweist, die auf den Abfall der Spannung der direkten Stromquelle auf einen vorbestimmten niedrigeren Wert reagiert.

17. Motorgetriebenes Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch transparente Umhüllung eine rostfreie Stahlhülse mit einer Dicke zwischen etwa 0,25 mm und 0,9 mm auf weist.

18. Motorgetriebenes Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß es elektrische Leitungen aufweist, die an ihrem einen Ende an eine elektrische Quelle außerhalb der zweiten Umhüllung angeschlossen sind, wobei die Durchgangsverbindung durch die zweite Umhüllung in flüssigkeitsdichter Art und Weise geschieht.

19. Motorgetriebenes Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Ventilelement ein Ventilverschlußelement ist, das einen Ventilkern aufweist, der mit einem Ventilsitz abdichtend in Eingriff kommt.

20. Motorgetriebenes Ventil nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz ringförmig abgeschrägt ist.

21. Motorgetriebenes Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch ge kennzeichnet, daß das Ventilgehäuse mindestens zwei Eingänge und min destens zwei Ausgänge aufweist, wobei das Ventilelement einen Ventilkern aufweist, der zwischen wenigstens zwei Ventilsitzen bewegbar ist und des weiteren so angeordnet werden kann, daß das Ventil als Mischventil oder Umleitventil ausgestaltet ist.

22. Motorgetriebenes Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch ge kennzeichnet, daß das Ventilelement einen Ventilkern aufweist, der zwi schen einer offenen und einer geschlossenen Stellung bewegbar ist, und der ein Führungselement aufweist, das im wesentlichen unabhängig von den Flüssigkeitskräften, die in den Kanälen vorliegen, bewegbar ist, wobei das Führungselement derart gestaltet ist, daß es die Druckkräfte der Flüs sigkeiten auf den Ventilkern drücken läßt, woraufhin dieser über eine Reak tionsbewegung antwortet, wenn das Führungselement aufgrund der Rotati on des Antriebselementes bewegt wird.

23. Motorgetriebenes Ventil nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungselement derart angeordnet ist, daß es sich frei, aber nur in be grenztem Umfang zwischen Positionen bewegen kann, wobei das Füh rungselement innerhalb des Kerns sitzt und an einer Position angeordnet ist, an der es der Flüssigkeit aus einem Bereich hohen Druckes erlaubt, in einen Bereich geringeren Druckes zu strömen.

24. Motorgetriebenes Ventil nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeich net, daß das Führungselement mit dem Antriebselement in Eingriff kommt und dadurch angetrieben wird, und der Ventilkern zumindest teilweise das Führungselement umgibt.

25. Motorgetriebenes Ventil nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch ge kennzeichnet, daß der Ventilkern einen Sitz für das Führungselement und einen Behälter für den Sitz aufweist, der innerhalb des Ventilkerns aufge nommen ist.

26. Motorgetriebenes Ventil nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Bewegung des Führungselementes dadurch eingeschränkt wird, daß es in einer Stellung am Sitz für das Führungselement anschlägt und in einer anderen Stellung am Behälter des Sitzes, wobei es den Ventilkern zur Bewegung in beide Richtungen anregt.

27. Motorgetriebenes Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch ge kennzeichnet, daß das Ventilelement ein Vierteldrehungsventil aufweist.

28. Motorgetriebenes Ventil nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Vierteldrehungsventil ein Schmetterlings-Ventil ist.

29. Motorgetriebenes Ventil nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Vierteldrehungsventil eine Art Kugelventil ist.

30. Motorgetriebenes Ventil nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Vierteldrehungsventil ein Kolbenventil aufweist.

31. Motorgetriebenes Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß ein Detektor außerhalb der magnetisch transpa renten Umhüllung angebracht ist, um die axiale Position des Läufers von Zeit zu Zeit zu kontrollieren.

32. Motorgetriebenes Ventil nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsdetektor einen linear verstellbaren Differentialwandler aufweist.

33. Motorgetriebenes Ventil nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsdetektor wenigstens einen Verschiebungssensor aufweist.

34. Motorgetriebenes Ventil nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsdetektor eine Vielzahl von Annäherungssensoren aufweist.

35. Motorgetriebenes Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch ge kennzeichnet, daß es vier Kanäle aufweist, und daß das Ventilelement ein gleitendes Schieberelement ist, das zwischen einer Stellung, in der der erste und zweite Kanal sowie der dritte und vierte Kanal verbunden sind, und ei ner Stellung, in der der erste und vierte Kanal sowie der zweite und dritte Kanal verbunden sind, bewegbar ist.

36. Motorgetriebenes Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch ge kennzeichnet, daß es wenigstens sechs Kanäle und ein gleitendes Schie berelement aufweist, das zwischen einer ersten Position, in der der erste und zweite Kanal, der dritte und vierte Kanal sowie der fünfte und sechste Kanal verbunden sind, und einer zweiten Stellung, in der der erste und sechste Kanal, der vierte und fünfte Kanal sowie der zweite und dritte Kanal verbunden sind, bewegbar ist.

37. Verfahren zur Betätigung eines abgeschlossenen Motors, der einen Stän der, eine Vielzahl von Antriebswicklungen für den Ständer, mehrere Hall- Effekt-Vorrichtungen zur Stromumkehr in den Antriebswicklungen und eine magnetisch transparente Umhüllung um einen Läufer aufweist, der mehrere Permanentmagneten beinhaltet, wobei die Antriebswicklungen periodisch mit mehreren Strompulsen versorgt werden, wobei diese Pulse periodisch durch relativ große Intervalle, in denen praktisch kein Strom vorliegt, unter brochen werden, und der Läufer so während jedes dieser Intervalle zu ei nem virtuellen Stop kommt, wodurch der Läufer steigernd angetrieben wird und eine schädigende Hitzeerzeugung im abgeschlossenen Motor verhin dert wird.

38. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Strompulse ungefähr zwischen 4 Hz und 20 Hz liegt.

39. Verfahren nach Anspruch 37 oder 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Pulse zwischen etwa 5 und 25 Millisekunden liegt.

40. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulse etwa alle 150 Millisekunden auftreten und eine Dauer von etwa 15 Millisekunden besitzen.

41. Verfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Strompulse Spitzen von etwa 2 bis 5 A aufweisen, und daß die Spannung etwa 24 bis 48 V beträgt.

42. Verfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 41, dadurch gekennzeichnet, daß während der Strompulse zumindest der größte Teil der Trägheit des Läufers überwunden wird, und die elektromagnetische Gegenkraft, die durch den Läufer erzeugt wird, wesentlich ansteigt, wodurch der Läufer während der Strompulse ein maximales Drehmoment liefert.

43. Verfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 42, dadurch gekennzeichnet, daß Intervalle komplett ohne Stromzufuhr eingerichtet werden, und der Läufer so zu einem tatsächlichen Stop kommt.

44. Verfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor in Verbindung mit einem Ventil verwendet wird, das ein Ven tilgehäuse, Flüssigkeitskanäle und ein bewegliches Ventilelement aufweist, wobei das Verfahren den Schritt beinhaltet, die periodischen Strompulse auch dann aufrechtzuerhalten, wenn das Ventil sich im Sitz befindet.