JPH086790B2

JPH086790B2 - バルブアクチュエータ

Info

Publication number: JPH086790B2
Application number: JP1253499A
Authority: JP
Inventors: 雅巳四方; 雄三土岐
Original assignee: Shimadzu Corp; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Shimadzu Corp; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1989-09-28
Filing date: 1989-09-28
Publication date: 1996-01-29
Anticipated expiration: 2011-01-29
Also published as: JPH03117758A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、例えば発電所のボイラに付設され流量調節
等を行うバルブアクチュエータに関するものである。

［従来の技術］一般的なバルブアクチュエータは、電動モータの回転
動力を出力軸の進退動作に変換するための歯車列等から
なる減速機構を備えている。歯車には本来的にセルフロ
ック機能があるものを使用する等して、電動モータへの
通電が断たれると、出力軸に保持力が働いて負荷側から
電動モータが駆動されないようにしている。

一方、自動制御用に用いられるバルブアクチュエータ
は、制御機構によって電動モータが制御されるもので、
駆動端に位置リミットスイッチを配置して出力軸の動作
範囲を設定しておき、出力軸に接続した弁軸が目標位置
に達すると、位置リミットスイッチが働いて制御機構が
電動モータへの通電を断つようになっている。また、こ
の種バルブアクチュエータは、通常の電動駆動機と比較
して遥に動作頻度が高く、且つ負荷変動の大きい箇所で
使用されることが少なくない。例えば、発電所のボイラ
に組み付けられている流量調節用バルブアクチュエータ
では、高温高圧蒸気が作用している弁を頻繁に駆動する
必要があり、しかも、弁軸が蒸気に触れて熱膨張するこ
とで出力軸に大きな負荷が作用することがある。このた
め、従来の歯車式減速機構を持つ自動制御用バルブアク
チュエータでは、先ず、電動モータに高速多回転形のも
のを採用し、減速機構には多数の減速に関する部品を組
み込んで出力軸に高トルクが得られるようにしており、
さらに、これに付帯して出力軸に異常負荷が加わった時
に動作するトルクリミットスイッチ機構を設け、モータ
を焼損から保護するようにしている。

［発明が解決しようとする課題］しかし、減速機構の構成部品が多いと機構的に複雑に
なり、これに伴って潤滑油やグリーズの使用量も増え
る。このため、従来の自動制御用バルブアクチュエータ
はケースが密封構造の大形のものになることを余儀なく
されている。しかも、セルフロック機能を利用して出力
軸を位置決めしているため、電動モータが停止さいてい
るにも拘らず出力軸に加わる負荷により歯車のガタつき
（バックラッシュ）分だけ出力軸が目標位置から変動す
ることがあり、被駆動体である弁体が弁座から離れて漏
れを生じさせる等、制御系が不安定になり易い欠点があ
る。さらに、出力軸に加わる負荷が過大になって歯車減
速機構に逆駆動トルクとして作用すると、減速機構に無
理が生じて破損する危険性もある。一方、トルクリミッ
トスイッチは、バネの移動量を検知してスイッチが働き
電動モータを停止させる構造であるために、複雑であ
り、信頼性を保つためには頻繁な点検が必要となる。

本発明は、このような種々の問題点に着目してなされ
たものであって、これらを有効に解決することを目的と
している。

［課題を解決するための手段］本発明は、かかる目的を達成するために、次のような
構造を採用したものである。

すなわち、本発明のバルブアクチュエータはで電動モ
ータの回転動力を弁軸に接続される出力軸の進退動作に
変換するセルフロック機能を持たないボールねじ機構
と、前記電動モータの回転子をロックするブレーキ機構
と、前記電動モータへ通電している時は前記ブレーキ機
構のブレーキを解除し該電動モータへの通電を断った時
は該ブレーキ機構のブレーキを作動させるための制御機
構とを有し、この制御機構には前記ブレーキの解除と作
動の操作を交互に繰返し行わせるタイマ回路とを具備し
てなることを特徴としている。

［作用］ボールねじ機構は、簡易な構成で比較的大きな減速比
を得ることができるため、従来の複雑な歯車減速機構を
代えて電動モータの出力軸との間にコンパクトに組込む
ことができ、潤滑油の使用も最少限に抑えることができ
る。

そして、電動モータと出力軸とがこのようなセルフロ
ック機能を持たないボールねじ機構で連結されている
と、弁軸に接続される出力軸が駆動端に達した時点で制
御機構を働かせることにより、次にような作用が営まれ
る。先ず、出力軸が駆動端で停止すると、電動モータへ
の通電を断ち、ブレーキ機構のブレーキを働かせる。そ
して、一定時間後、制御機構から電動モータへの通電が
再開され、その際にブレーキ機構のブレーキが解除され
る。さらに、一定時間後、再び電動モータへの通電が断
たれ、ブレーキ機構のブレーキが作動する。制御機構
は、以上のような操作を繰返し行う。そして、ブレーキ
機構を解除して電動モータに通電している状態では、そ
の時に電動モータと負荷と釣合っていなければ、それが
適切に釣合う位置まで出力軸の位置、推力が変動される
ことになる（負荷が小さければ、出力軸はさらに電動モ
ータの駆動方向に変動するが、負荷が大きければ、ボー
ルねじ機構はセルフロック機能を有していないので、出
力軸は逆に負荷側から駆動されて電動モータの駆動方向
とは反対方向に変動する）。したがって、このバルブア
クチュエータは、負荷変動や弁軸などの被駆動体の変化
に自動的に追随補正を加える機能を備えることになり、
電動モータを過大な負荷トルクを作用させることなく、
弁軸などの被駆動体を常に駆動端近傍に適切な位置に保
持させることができる。また、補正後はブレーキ機構に
よって電動モータの回転子をロックするようにしている
ため、補正直後のガタつきなどによって位置ずれが生じ
るといった不都合を生じることもなく、安定した確実な
制御か行われることになる。

［実施例］以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、本実施例のバルブアクチュエータの縦断面
図を示している。第２図は第１図における電動モータＭ
部分の拡大図であり、第３図は第２図におけるIII−III
線断面図、第４図は制御機構を示すブロック図である。
このバルブアクチュエータは、電動モータＭとして実開
昭61−171465号公報に示されるものを使用している。同
モータＭは、第２図および第３図に示すように、一定の
空隙をおいて対向配置した外側固定子１および内側固定
子２と、これらの空隙間に挿入されたリング状の回転子
３とからなる。外側固定子１および内側固定子２はモー
タハウジングをなす外筒４および内筒５にそれぞれ固定
されている。また、回転子３は回転台７上に立設されて
おり、この回転台７がベアリング６を介して前記内筒５
に回転可能に支承されている。固定子１、２の各極1a、
2aと、これらに相対する回転子３の両対向面とには、第
３図に示すように櫛歯状の突極子が設けてある。回転子
３は永久磁石により製作し、固定子１、２の各極1a、2a
にはそれぞれコイル1b、2bが装着してある。これらのコ
イル1b、2bは、図示しない制御電源に接続して三相交流
電流が給電されるようにしてあり、周波数をｎ〜0Hzの
範囲で可変することにより回転速度を調整し、電流量を
可変することにより回転駆動力を調整できるようになっ
ている。さらに、回転台７の一端外周部には永久磁石で
外周部を櫛歯状にして加工した回転子８が固定してあ
り、この回転子８の対向位置に内側面を櫛歯状に加工し
た固定子９を配置している。そして、この固定子９にコ
イル9aを装着している。すなわち、回転台７が回転する
と、固定子９に巻回したコイル9aから回転速度に対応し
たパルス電流信号が得られるものとなっている。

このように構成される電動モータＭに対して、その回
転台７に同芯のセンタコラム11を固着し、該センタコラ
ム11の一端にブレーキ機構Ｂを構成している。ブレーキ
機構Ｂは、前記センタコラム11の外周に一体回転可能で
かつ軸方向スライド可能に嵌合されたブレーキ回転板12
と、このブレーキ回転板12の一側面の対面する位置に微
少隙間を隔てて固定されたベース板13と、前記ブレーキ
回転板12の他側面と対面するブレーキ本体14底面に微少
隙間を隔てて非拘束状態で配置された可動板17と、前記
ブレーキ本14底面に収容され前記可動板17を前記ブレー
キ回転板12に向かって押圧するスプリング16と、前記可
動板17を吸着すべくブレーキ本体14底面に埋設した電磁
コイル15とから構成されている。すなわち、電磁コイル
15に通電すると、スプリング16の反力に抗して可動板17
がブレーキ本体14底面に吸引され、各板17、12間（12、
13間）に透きを作り、ブレーキ回転板12が自由に回転で
きるようになっている。逆に、電磁コイル15への通電を
断つと、可動板17に対する磁気吸引力は消え、スプリン
グ16の反力によって可動板17がブレーキ回転板12をベー
ス板13に押し付けるため、各板17、12間（12、13間）の
摩擦によりブレーキ力を発生し得るものとなる。

そして、前記センタコラム11に、ボールねじ機構Ａを
介してねじ棹（出力軸）19を接続している。ボールねじ
機構Ａは、前記センタコラム11の内周に嵌着されたナッ
ト部18と、前記ねじ棹19の一端に刻設したボルト部19a
と、このボルト部19aと前記ナット部18とを螺進退可能
に連結する多数の転動ボール18aとから構成されてい
る。そして、ねじ棹19の一部に第１図に示すように回転
止め金具20を一体突設し、この金具20を、ハウジング22
からねじ棹19に平行に突設したガイド棒21に係合させる
ことにより、ねじ棹19の回転を禁止して、ナット部18の
回転動力を該ねじ棹19の進退動作に変換し得るようにし
ている。

さらに、ねじ棹19の他端にターンバックル23を介して
弁軸24が接続してあり、該弁軸24の先端に適当な曲面を
形成した弁プラグ25が一体に取着してある。弁プラグ25
は、弁シート26と芯を合わせた状態で組付けられてお
り、進退位置に応じて該弁シート26の開口部との間にで
きる透きの面積を変化させ、弁本体27内を流れる流体の
流量を調節し得るものである。このため、ねじ棹19の進
退位置は、弁本体27の中を流れる流体の流量と特定の関
数関係を持つように設定される。また、ハウジング22と
弁本体蓋28とは、ナット29によって固定されている。

一方、第４図は、本実施例の機構30を示すブロック図
である。31は調節計で、目標値が与えられると、その目
標値に応じて直流電気信号またはデジタル信号s₁を発信
する。32は比較回路で、前記調節計31からの信号s₁、お
よび、ねじ棹19の位置検出を行うために適当な位置に配
設した位置検出手段33からの信号s₂とを比較し、差が有
れば信号s₃を発信する。信号s₄はコイル9aより発信され
る電動モータＭの回転速度に比例したパルス信号であ
る。34はモータ駆動回路であり、演算回路35の信号s₅と
比較回路32の信号s₃との差に応じた信号s₆が加えられ
る。モータ駆動回路34の出力はモータ駆動アンプ36に入
力されるが、その出力は三相交流で、出力周波数がＮか
ら零まで変化し、これとともに駆動電圧ｖが変化され
る。このモータ駆動回路34に加えられる信号s₆が零にな
ると、出力周波数Ｎは零になる。モータ駆動回路34と演
算回路35とは常に信号s₇で連絡されており、この信号s₇
と前述した信号s₆とから三相交流の出旅周波数Ｎと電圧
ｖとが決定される。

そして、このモータ駆動回路34にタイマ回路37を接続
している。タイマ回路37は、電磁コイル15への通電とモ
ータ駆動アンプ36への駆動信号s₉の入力とを同時に行う
状態（出力モード）と、これら両出力を断つ状態（ブレ
ーキモード）とをとり得るもので、モータ駆動回路34か
ら出力周波数Ｎが零になった旨の信号s₈を受けて始動
し、その一定時間後から周期的に出力モードとブレーキ
モードとを切り換える。この出力を受けてモータ駆動ア
ンプ36が作動する際の出力周波数Ｎと電圧ｖとは、予め
設定した所要の値に基づく。

なお、ねじ棹19が駆動端（この場合は、弁プラグ25が
弁シート26に着座される位置）に達するまでは、ブレー
キ機構Ｂの電磁コイル15には終止通電が行われており、
電磁コイル15への通電が断たれるのは、ねじ棹19が駆動
端に到達した時点か、タイマ回路37の作動時か、若しく
は停電時かに限られる。

以上のような制御機構30によると、ねじ棹19が駆動端
に達した時点で次のような作動が開始される。先ず、ね
じ棹19が駆動端で停止すると、信号s₆が０になるため、
電動モータＭへの通電が断たれ、これと同時に電磁コイ
ル15への通電が停止してブレーキ機構Ｂのブレーキが作
動する。これにより、一定時間の間はねじ棹19はその位
置に保持される。そして、一定時間経過後、タイマ回路
が出力モードとなり、モータ駆動アンプ36を通じてコイ
ル1b（2b）への通電を再開するとともに、電磁コイル15
に通電を行ってブレーキを解除させる。更に、それから
一定時間経過後、タイマ回路37はブレーキモードとな
り、モータ駆動アンプ36を通じてコイル1b（2b）への通
電を断ち、同時に電磁コイル15への通電を断ってブレー
キを作動させる。制御機構30は、以上のような操作を一
定時間毎に繰返し行う。

そして、ブレーキ機構Ｂが解除されて電動モータＭが
起動している状態では、その時に電動モータＭと負荷が
釣合っていなければ、それが適切に釣合う位置までねじ
棹19の位置、推力が変動されることになる。例えば、弁
プラグ25が膨脹してねじ棹19に電動モータＭによる駆動
力よりも大きな負荷を作用させていれば、ブレーキが解
除されることによってねじ棹19は図中右方向に付勢さ
れ、その付勢力がボールねじ機構Ａにより電動モータＭ
の回転動作に変換されてその付勢力を吸収することにな
る。そして、その付勢力が電動モータＭの駆動力と釣り
合う大きさまで減退したときにねじ棹19の変動が止ま
り、次のタイマ回路37によるブレーキモード時には新た
な位置に保持されることになる。また、以上とは逆に、
弁プラグ25が収縮して弁シート26との間に隙間を生じつ
つあるときは、ブレーキが解除されることによってねじ
棹19はさらに電動モータＭによって図中左方向に駆動さ
れ、次のブレーキモードまでに改めて弁プラグ25を弁シ
ート26に緊密に着座させることになる。これらの作動
は、弁プラグ25に作用する蒸気圧が急激に変化した場合
などにも行われる。

しかして、図示バルブアクチュエータによると、歯車
列のような複雑な機構部がなく、潤滑油やグリースの使
用もボールねじ機構において必要であるに過ぎない。こ
のため、従来のような密封構造の大形なケースは不必要
で、コンパクトな構成が実現可能となる。しかも、機構
的に簡略な分だけ信頼性も向上してメンテナンス上の便
宜も得られることになる。また、トルクリミットスイッ
チが不要になる点もコンパクト化に奏効し、且つ、これ
により機械的な調整部分が不要となって取扱も便利とな
る。さらに、弁プラグ25の状態変化等に起因して負荷変
動が生じても、その変化に自動的追随補正を加えつつ制
御バルブＶの閉止状態を確実に維持することができるた
め、性能も向上されたものとなる。以上により、このも
のは、苛酷な条件下に長期に亘って安定した作動が要求
されるような使用目的、例えば発電所のバルブアクチュ
エータ等として有効に利用することが可能となる。

なお、上記実施例で電動モータに三相式サーボモータ
を使用しているが、パルスモータ等の他の電動制御モー
タを組み込むこともできる。

［発明の効果］本発明は、以上のような構成であるから、次のような
効果が得られる。先ず、電動モータと出力軸の間に歯車
減速機構を介設する代わりにボールねじ機構を採用した
ため、機構的に簡略化され、外形のコンパクト化と高信
頼性とが得られる。しかも、グリーズ等の使用量が低減
させるため、従来のような密封構造の大形ケースが不要
になる。また、ボールねじ機構がセルフロック機能を持
たないものであり、停止時に定期的制御機構がブレーキ
機構が開放して出力軸の位置、推力補正を行うために、
負荷変動および被駆動体の変化に自動的に追随補正を加
える機能が備わり、駆動の適正化が図られる。さらに、
トルクリミットスイッチの如き機械的調整を要する部品
が一切ないために、取扱も極めて簡単となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す側断面図、第２図は第
１図の部分拡大図、第３図は第２図におけるIII−III線
断面図、第４図は制御機構を示すブロック図である。Ａ……ボールねじ機構、Ｂ……ブレーキ機構Ｍ……電動モータ、３……回転子 19……出力軸（ねじ棹）、24……弁軸 30……制御機構、37……タイマ回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−38892（ＪＰ，Ａ) 特開昭48−73706（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−195965（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電動モータの回転動力を弁軸に接続される
出力軸の進退動作に変換するセルフロック機能を持たな
いボールねじ機構と、前記電動モータの回転子をロック
するブレーキ機構と、前記電動モータへ通電している時
は前記ブレーキ機構のブレーキを解除し該電動モータへ
の通電を断った時は該ブレーキ機構のブレーキを作動さ
せるための制御機構とを有し、この制御機構には前記ブ
レーキの解除と作動の操作を交互に繰返し行わせるタイ
マ回路を具備してなることを特徴とするバルブアクチュ
エータ。