JP2018173024A - Electric actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電動アクチュエータに関する。 The present invention relates to an electric actuator.
回転操作軸を回転操作する駆動装置として、モータを備える電動アクチュエータが用いられている。 An electric actuator provided with a motor is used as a drive device for rotating the rotation operation shaft.
この種の電動アクチュエータとして、例えば、特許文献1(特開2006−46318号公報)には、バタフライバルブを回転操作して開度を調整するアクチュエータが記載されている。この構成では、バタフライバルブがアクチュエータの出力軸と平行に配置され、バタフライバルブのシャフト(回転操作軸)とアクチュエータの出力軸とがギヤを介して連結されている。 As this type of electric actuator, for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-46318) describes an actuator that rotates a butterfly valve to adjust the opening degree. In this configuration, the butterfly valve is disposed in parallel with the output shaft of the actuator, and the butterfly valve shaft (rotation operation shaft) and the output shaft of the actuator are connected via a gear.
しかしながら、ギヤを介してバタフライバルブとアクチュエータの出力軸とを平行に連結する構成では、部品点数が多くなり、大型化やコストが増加するといった課題がある。 However, in the configuration in which the butterfly valve and the output shaft of the actuator are connected in parallel via the gear, there are problems that the number of parts increases, and the size and cost increase.
そこで、本発明は、部品点数を少なくし、小型化や低コスト化に有利な電動アクチュエータを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an electric actuator that reduces the number of parts and is advantageous for downsizing and cost reduction.
前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、流体通路の開度を調整するバルブの回転操作軸を回転駆動させるモータ部を備える電動アクチュエータにおいて、モータ部の出力軸と同軸上であって、電動アクチュエータの内部に、バルブの回転操作軸が一体的に回転するように連結される連結部を配置したことを特徴とする。 As a technical means for achieving the above-described object, the present invention provides an electric actuator including a motor unit that rotationally drives a rotary operation shaft of a valve that adjusts the opening of a fluid passage, and is coaxial with an output shaft of the motor unit. In the electric actuator, a connecting portion connected so that the rotation operation shaft of the valve rotates integrally is arranged.
このように、本発明に係る電動アクチュエータにおいては、バルブの回転操作軸が一体的に回転するように連結される連結部が、モータ部の出力軸と同軸上であって、電動アクチュエータの内部に配置されていることで、従来のようなアクチュエータの出力軸とバルブ等の回転操作軸とを平行に配置した構成に比べて径方向の小型化および低コスト化を図れるようになる。 Thus, in the electric actuator according to the present invention, the connecting portion connected so that the rotation operation shaft of the valve rotates integrally is coaxial with the output shaft of the motor portion and is inside the electric actuator. By being arranged, it is possible to achieve a reduction in size and cost in the radial direction as compared with a configuration in which an output shaft of an actuator and a rotation operation shaft such as a valve are arranged in parallel.
また、モータ部の回転を減速して回転操作軸に伝達する減速機を備える構成においては、減速機がモータ部の出力軸と同軸上に配置された出力軸を有することで、この減速機の出力軸の内周に、連結部をモータ部の出力軸と同軸上に配置することができる。 Further, in a configuration including a speed reducer that decelerates rotation of the motor unit and transmits it to the rotation operation shaft, the speed reducer has an output shaft arranged coaxially with the output shaft of the motor unit. The connecting portion can be arranged coaxially with the output shaft of the motor portion on the inner periphery of the output shaft.
減速機として、トラクションドライブ式の遊星減速機を用いることで、バックラッシに起因するガタが少なく、回転方向の位置決め精度と低騒音性に優れる電動アクチュエータとすることができる。 By using a traction drive type planetary speed reducer as the speed reducer, it is possible to provide an electric actuator with less backlash due to backlash and excellent positioning accuracy in the rotational direction and low noise.
また、連結部に断熱材を設けることで、回転操作軸側の冷気又は熱気による電動アクチュエータの温度変化を低減できる。 Further, by providing a heat insulating material at the connecting portion, it is possible to reduce a temperature change of the electric actuator due to cold air or hot air on the rotating operation shaft side.
本発明によれば、部品点数を少なくし、電動アクチュエータの小型化や低コスト化を図ることができる。 According to the present invention, the number of components can be reduced, and the electric actuator can be reduced in size and cost.
以下、添付の図面に基づき、本発明に係る電動アクチュエータの実施の一形態として、バタフライバルブ用のアクチュエータに適用した場合を例に説明する。 Hereinafter, as an embodiment of an electric actuator according to the present invention, a case where the present invention is applied to an actuator for a butterfly valve will be described as an example with reference to the accompanying drawings.
図1は、本実施形態に係る電動アクチュエータにバタフライバルブを連結した状態の外観図である。
図1に示すように、バタフライバルブ1は、回転操作対象物としての円盤状の弁体2と、弁体2の直径部分に設けられた回転操作軸3とで構成されている。回転操作軸3は、流体通路4が形成されたハウジング5に回転可能に取り付けられ、弁体2は流体通路4内に配置されている。また、回転操作軸3の一端部は電動アクチュエータ6に連結されており、電動アクチュエータ6によって回転操作軸3が回転操作されることで、弁体2が回転し、流体通路4の開口面積が調整される。
FIG. 1 is an external view of a state in which a butterfly valve is connected to the electric actuator according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the butterfly valve 1 includes a disc-
図2は、本実施形態に係る電動アクチュエータの縦断面図である。
図2に示すように、本実施形態に係る電動アクチュエータ6は、回転操作軸3を回転駆動させる駆動源としてのモータ部7と、モータ部7の回転を減速して回転操作軸3に伝達する減速機8とを主要な構成要素とする。
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the electric actuator according to the present embodiment.
As shown in FIG. 2, the
モータ部7は、ケーシング9に固定されたステータ10と、ステータ10の半径方向内側に隙間をもって対向するように配置されたロータ11と、ロータ11の内周面に固定された円筒状の出力軸12とを備える電動モータで構成される。この出力軸12のロータ11が固定された部分の軸方向両側における外周面には、それぞれ軸受13,14が固定されており、これらの軸受13,14によって出力軸12がケーシング9に対して回転可能に支持されている。軸受13,14としては、ラジアル荷重とスラスト荷重の双方を支持できる転がり軸受、例えば深溝玉軸受を使用することができる。
The
ケーシング9は、組み立ての都合上、軸方向の一箇所もしくは複数箇所で分割される。本実施形態では、ケーシング9を、有底円筒状の底部91と、両端を開口した筒部92と、蓋部93とに分割している。筒部92の軸方向一方側に蓋部93が配置され、筒部92の軸方向他方側に底部91が配置される。底部91、筒部92、および蓋部93は、ボルト等の締結手段を用いて一体化される。モータ部7の出力軸12を支持する軸受13,14のうち、軸方向一方側の軸受13は筒部92の内周面に固定され、軸方向他方側の軸受14は底部91の内周面に固定される。
The
続いて、図2、および図2のY−Y線矢視断面図である図3に基づき、減速機8の構成について説明する。
減速機8は、太陽ローラ15と、外側リング16と、複数の遊星ローラ17と、キャリア18とを備える、トラクションドライブ式の遊星減速機である。本実施形態では、太陽ローラ15をモータ部7の出力軸12の軸方向一端部に一体に設けている。遊星ローラ17は、中空軸19の外周に装着された転がり軸受20(例えば、深溝玉軸受)によってキャリア18に対して回転可能に取り付けられている。中空軸19は、その軸方向の一端部(図2における右側の端部)が加締められることで、他端部に設けられたフランジ部との間に転がり軸受20の内輪とキャリア18を挟んで固定されている。
Next, the configuration of the
The
遊星ローラ17には、外側リング16によって内径方向のトラクション(予圧)が付与されている。詳しくは、外側リング16を所定の締め代でケーシング9(筒部92)内に圧入又は焼嵌めすることにより外側リング16を縮径させ、外側リング16と遊星ローラ17との接触部、および遊星ローラ17と太陽ローラ15との接触部にトラクションが付与される。
The
キャリア18は、回転操作軸3が一体的に回転するように連結されると共に、モータ部7からの回転を回転操作軸3へ減速して出力する出力軸として機能する。キャリア18は、半径方向に延び、上記中空軸19を介して転がり軸受20や遊星ローラ17が取り付けられる円盤部181と、円盤部181の中央部からモータ部7の出力軸12側に延び、出力軸12の内周に配置された内方筒部182と、円盤部181の中央部からモータ部7の出力軸12側とは反対側に延び、出力軸12の軸方向外側に配置された外側筒部183とを有する。内方筒部182の外周面には転がり軸受22(例えば、深溝玉軸受)が固定され、この転がり軸受22によってキャリア18はモータ部7の出力軸12に対して回転可能に支持されている。外側筒部183の外周面には環状のシール部材21が装着され、シール部材21によって外側筒部183とケーシング9(蓋部93)との間が封止されている。
The
内方筒部182と外側筒部183とは、互いに同じ外径、同じ内径に形成され、モータ部7の出力軸12と同軸上に配置されている。これらの内周には筒状の断熱材24が挿入されており、この断熱材24を介して回転操作軸3が内方筒部182および外側筒部183と連結される。従って、内方筒部182および外側筒部183の内周には、回転操作軸3が一体的に回転するように連結される連結部23がモータ部7の出力軸12と同軸上に配置されている。断熱材24は、内方筒部182および外側筒部183のそれぞれの内周面に対してスプライン(又はセレーション)嵌合により連結され、回転操作軸3も、断熱材24の内周面に対してスプライン(又はセレーション)嵌合により連結される(図3参照)。断熱材24は、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)にGF(ガラス繊維)を混合した耐熱性合成樹脂で構成されており、冷気や熱気が通ることで変化するバルブの温度が回転操作軸3を介して電動アクチュエータ6に与える影響を抑制するために設けられている。
The
上記の如く構成された減速機8を備える電動アクチュエータ6においては、モータ部7の出力軸12が回転すると、出力軸12と一体の太陽ローラ15が回転することで、複数の遊星ローラ17が自転しながら外側リング16に沿って公転する。そして、この遊星ローラ17の公転運動によりキャリア18が回転することで、回転が減速されて回転操作軸3に伝達される。
In the
また、図2に示すように、本実施形態に係る電動アクチュエータ6においては、モータ部7の回転角度を検出する回転角度検出装置30が設けられている。回転角度検出装置30は、回転方向にS極とN極の異なる磁極に着磁された一対の磁石31,32と、各磁石31,32の磁束を検出する磁気センサ33とを有する。各磁石31,32は、磁石保持部材34に保持され、磁石保持部材34は円盤状の取付部材35を介してモータ部の出力軸12の内周面に取り付けられている。これに対し、磁気センサ33は、各磁石31,32に対して間隔をあけて対向するようにケーシング9(底部91)に固定されている。
As shown in FIG. 2, the
モータ部7が駆動して出力軸12が回転すると、各磁石31,32が出力軸12と一体的に回転し、各磁石31,32の磁束を磁気センサ33が検出する。磁気センサ33は、回転方向に所定の位相差(例えば、90°)を設けて配置された2つの磁気検出素子を有しており、これらによって検出された磁束から図4に示すような正弦波αの出力信号と余弦波βの出力信号が得られる。そして、これらの出力信号の大小関係から場合分けをして、回転角度を算出する。詳しくは、図4に示す正弦波αの出力信号と余弦波βの出力信号から逆正接Arctanθ(=tan-1(sinθ/cosθ))を算出する。この逆正接Arctanθは、図5に示すように、実角度に対する算出角度の波形γが直線性を有する特性を有することから、これを用いて角度演算を行うことで、出力軸12の回転角度を把握することができる。これにより、モータ部7の出力軸12を所定角度回転させて、バタフライバルブの開度を適切な度合いに調整することができる。
When the
以上のように構成された本実施形態に係る電動アクチュエータ6においては、連結部23がモータ部7の出力軸12と同軸上に配置されていることで、回転操作軸3をモータ部7の出力軸12と同軸上に連結することができる。これにより、従来のようなアクチュエータの出力軸とバルブ等の回転操作軸とを平行に配置した構成に比べて、径方向の小型化および低コスト化を図れるようになる。
In the
また、本実施形態に係る電動アクチュエータ6においては、連結部23が電動アクチュエータ6の内部に配置されている。すなわち、キャリア18の少なくとも一部(内方筒部182)を、モータ部7の出力軸12の内周に同軸上に配置し、この部分(内方筒部182)の内周に連結部23を配置することで、連結部23を電動アクチュエータ6の内部(この場合、モータ部7の出力軸12の内周)に配置している。このように、連結部23を電動アクチュエータ6の内部に配置し、電動アクチュエータ6内の空間を連結部23の配置スペースとして有効活用することで、電動アクチュエータの小型化を実現できる。
Further, in the
さらに、本実施形態では、キャリア18を支持する転がり軸受22を、モータ部7の出力軸12の内周に配置していることで、出力軸12内の空間を有効活用している。これにより、転がり軸受20を配置するスペースをモータ部7の出力軸12の軸方向外側の領域に確保しなくてもよいので、電動アクチュエータの軸方向の小型化も図れるようになる。
Further, in this embodiment, the rolling
また、本実施形態では、連結部23をスプライン嵌合構造にしているが、断熱材24内に回転操作軸3を挿入する際、回転操作軸3の外周面に予め形成されたスプライン形状の凸部によって断熱材24の内周面を切削しながら圧入することで、断熱材24と回転操作軸3と間で高い密着性が得られる。断熱材24の内周面は、凹凸の無い均一な円筒状の面であってもよいし、回転操作軸3に形成されたスプライン状の凸部に対して締め代を有するスプライン形状の凹部が予め形成されていてもよい。このように、密着性の高いスプライン嵌合構造とすることで、断熱材24と回転操作軸3との間で回転方向のガタを高度に低減することができるため、バタフライバルブの回転方向の位置決め精度を向上させることができる。また、同様に、キャリア18(内方筒部182および外側筒部183)に対する断熱材24の嵌合も、予めスプライン状の凸部が内周面に形成されたキャリア18内に断熱材24を圧入することで、凸部によって断熱材24の外周面を切削して、密着性の高いスプライン嵌合構造を得ることが可能である。
In the present embodiment, the connecting
本実施形態では、モータ部7として、ケーシング9に固定されたステータ10と、ステータ10の半径方向内側に隙間をもって対向するように配置されたロータ11とを備えるラジアルギャップ型の電動モータを例示したが、任意の構成のモータを採用することができる。例えば、ケーシングに固定されたステータと、ステータの軸方向内側に隙間をもって対向するように配置されたロータとを備えるアキシャルギャップ型の電動モータであってもよい。
In the present embodiment, a radial gap type electric motor including the
また、本実施形態では、バックラッシに起因するガタが少なく、回転方向の位置決め精度と低騒音性に優れる減速機として、トラクションドライブ式の遊星減速機を採用しているが、これに限らずギヤを用いた遊星ギヤ減速機を使用することもできる。また、遊星減速機以外の構成を有する減速機を使用してもよい。 In this embodiment, a traction drive type planetary speed reducer is adopted as a speed reducer that has little backlash due to backlash and is excellent in rotational positioning accuracy and low noise.However, the gear is not limited to this. It is also possible to use the planetary gear reducer used. Moreover, you may use the speed reducer which has structures other than a planetary speed reducer.
また、本実施形態では、トラクションドライブ式の遊星減速機にトラクションを与える手法として、外側リング16をケーシング9の内周面に所定の締め代で圧入又は焼嵌めすることにより、外側リング16を縮径させる手法を例に挙げたが、これに限らず任意の手法を採用することができる。例えば、外側リング16に軸方向の圧力をかけて外側リング16を内径側に撓むように弾性変形させることで、トラクションを付与することも可能である。なお、圧入又は焼嵌めにより外側リング16を縮径させる手法は、外側リング16を撓みやすく形成しなくてもよいため、断面がブロック状又は中実の外側リング16(図2参照)を採用することができ、外側リング16の強度を向上させることができる。
In the present embodiment, as a technique for imparting traction to the traction drive type planetary speed reducer, the
本実施形態では、電動アクチュエータの小型化を図るために、キャリア18の一部(内方筒部182)をモータ部7の出力軸12内に進入させるように構成しているが、図6に示す構成のように、キャリア18をモータ部7の出力軸12内に進入させない(内方筒部182を有しない)構成としてもよい。この場合、回転操作軸3は、キャリア18の外側筒部183のみに挿入されて連結されている。また、キャリア18を支持する転がり軸受22は、外側筒部183の外周面に固定され、モータ部7の出力軸12の軸方向外側に配置されている。このため、図1〜図3に示す実施形態に比べて、電動アクチュエータ6の軸方向寸法が大きくなる。しかしながら、この構成においても、連結部23がモータ部7の出力軸12と同軸上であって、電動アクチュエータ6の内部(この場合、キャリア18の外側筒部183内)にあることで、従来のようなアクチュエータの出力軸とバルブ等の回転操作軸とを平行に配置した構成に比べて、径方向の小型化および低コスト化が可能である。なお、図6に示す構成において、上記説明した部分以外の構成は、図1〜3と同様の機能を有する部材に同一の符号を付すことで説明を省略する。
In this embodiment, in order to reduce the size of the electric actuator, a part of the carrier 18 (inner cylinder part 182) is configured to enter the
上述の本実施形態では、連結部23をモータ部7の出力軸12と同軸上に配置する構成として、減速機8の出力軸(内方筒部182又は外側筒部183)の内周に連結部23を配置する構成としているが、減速機8の出力軸の外周に連結部23を配置してもよい。
In the present embodiment described above, the connecting
例えば、図7に示すように、キャリア18の外側筒部183の外周にフランジ部184を設け、このフランジ部184を回転操作軸3が連結される連結部23としてもよい。図7に示す構成では、キャリア18のフランジ部184に対して回転操作軸3に設けられたフランジ部3aが断熱材24を介してボルト等の締結手段(図示省略)を用いて締結されている。斯かる構成においても、連結部23が、モータ部7の出力軸12と同軸上に配置されていることで、回転操作軸3を電動アクチュエータに対してモータ部7の出力軸12と同軸上に直結することが可能となり、径方向の小型化および低コスト化を図れる。なお、図7に示す実施形態について、上記説明した構成以外は図1〜図3に示す電動アクチュエータ6と同様である。
For example, as shown in FIG. 7, a
また、本発明は、減速機を備える電動アクチュエータに限らず、減速機を備えていないものにも適用可能である。 Moreover, this invention is applicable not only to the electric actuator provided with a reduction gear but to the thing which is not provided with the reduction gear.
図8は、減速機を備えていない電動アクチュエータに本発明を適用した実施形態を示す図である。
図8に示す電動アクチュエータ6においては、上記のような減速機8が設けられていないため、回転操作軸3は、断熱材24を介してモータ部7の出力軸12の内周面に対して同軸上に連結される。すなわち、この場合も、連結部23がモータ部7の出力軸12に対して同軸上であって、電動アクチュエータ6の内部(この場合、モータ部7の出力軸12内)に配置されていることで、径方向の小型化および低コスト化が可能である。なお、図8に示す電動アクチュエータ6において、減速機8のほか、減速機8を支持する上記転がり軸受22、上記ケーシング9の蓋部93、蓋部93の内周に配置される上記シール部材21も設けられていない。それ以外は上記図1〜図3に示す電動アクチュエータ6と同様の構成である。
FIG. 8 is a view showing an embodiment in which the present invention is applied to an electric actuator not provided with a reduction gear.
In the
また、図9に示す例は、減速機8を備える電動アクチュエータ6であるが、ここでは、キャリア18の外側筒部183を内方筒部182よりも径方向に大きく形成している。そして、外側筒部183の内径φA1および外径φB1を、モータ部7の出力軸12の太陽ローラ15側の部分(図9における右端部)の内径φA2および外径φB2と同じ大きさにしている(φA1=φA2、φB1=φB2)。また、この構成においては、内方筒部182内には断熱材24が挿入されておらず、外側筒部183内に挿入された断熱材24を介して回転操作軸3が連結される。それ以外は、図1〜3に示す上記実施形態と基本的に同様の構成である。
The example shown in FIG. 9 is the
このような構成とすることで、外側筒部183の外周面又は内周面に嵌合させる部材を、モータ部7の出力軸12の外周面又は内周面にも嵌合させることができるようになり、減速機8を備える場合と備えない場合とで共通の部材を使用することができる。例えば、図8に示す減速機8を備えないタイプと、図9に示す減速機8を備えるタイプとで、モータ部7の出力軸12内に嵌合させる断熱材24(図8)と、キャリア18の外側筒部183内に嵌合させる断熱材24(図9)に、同じ外径の断熱材24を用いることができるようになる。特に、このような構成は、電動アクチュエータを種々の用途に応じて多品種展開する場合に、多くの共通部品を換えることなくシリーズ化することができるので好ましい。
By adopting such a configuration, the member fitted to the outer peripheral surface or inner peripheral surface of the outer
なお、本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことである。本発明に係る電動アクチュエータは、内燃機関の排気再循環システムに用いられるEGRバルブや、エンジン出力を制御するために燃焼機関への吸気量を調整するスロットルバルブ、さらには、バタフライバルブ以外のボールバルブ等に対しても適用可能である。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can of course be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention. An electric actuator according to the present invention includes an EGR valve used in an exhaust gas recirculation system of an internal combustion engine, a throttle valve that adjusts an intake air amount to a combustion engine to control engine output, and a ball valve other than a butterfly valve It is applicable to the above.
3 回転操作軸
6 電動アクチュエータ
7 モータ部
8 減速機
12 出力軸(モータ部の出力軸)
18 キャリア(減速機の出力軸)
23 連結部
24 断熱材
3 Rotating
18 Carrier (Speed reducer output shaft)
23 connecting
Claims (4)
前記モータ部の出力軸と同軸上であって、前記電動アクチュエータの内部に、前記バルブの回転操作軸が一体的に回転するように連結される連結部を配置したことを特徴とする電動アクチュエータ。 In an electric actuator including a motor unit that rotationally drives a rotary operation shaft of a valve that adjusts the opening of a fluid passage,
An electric actuator, characterized in that a connecting portion that is coaxial with an output shaft of the motor portion and is connected inside the electric actuator so as to integrally rotate a rotation operation shaft of the valve.
前記減速機は、前記モータ部の出力軸と同軸上に配置された出力軸を有し、
前記減速機の出力軸の内周に、前記連結部を前記モータ部の出力軸と同軸上に配置した請求項1に記載の電動アクチュエータ。 A speed reducer that decelerates the rotation of the motor unit and transmits it to the rotation operation shaft;
The speed reducer has an output shaft disposed coaxially with the output shaft of the motor unit,
The electric actuator according to claim 1, wherein the connecting portion is disposed coaxially with the output shaft of the motor unit on the inner periphery of the output shaft of the speed reducer.
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