KR101547817B1

KR101547817B1 - 이물질 감지 및 제거 기능을 갖는 전동 액츄에이터

Info

Publication number: KR101547817B1
Application number: KR1020150050098A
Authority: KR
Inventors: 허응무; 김연섭
Original assignee: 뉴토크코리아주식회사
Priority date: 2015-04-09
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2015-08-27

Abstract

본 발명은 액츄에이터가 작동하는 중에 이물질이 걸릴 경우 스트레인게이지에서 감지한 토크값에 기반한 제어부의 제어에 의해 모터가 정회전과 역회전을 일정 횟수 반복하여 이물질을 제거하고, 이물질이 제거되지 않을 경우에는 액츄에이터의 작동을 정지시켜 시스템을 보호해 주는, 이물질 감지 및 제거 기능을 갖는 전동 액츄에이터를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 이물질 감지 및 제거 기능을 갖는 전동 액츄에이터는, 구동력을 발생시키는 모터; 상기 모터의 회전축에 장착되어 토크를 감지하여 제어부로 보내기 위한 스트레인게이지; 상기 모터의 회전력을 전달받아 밸브를 개폐하기 위한 샤프트에 전달하는 기어부; 상기 기어부와 연결되어 밸브의 개도(開度)를 측정하여 디지털로 표시해 주는 표시부; 액츄에이터의 작동을 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되어, 상기 밸브에 이물질이 걸려서 스트레인게이지에서 감지한 토크가 설정된 토크값보다 클 경우 모터의 정·역회전을 반복하여 이물질을 제거하고, 설정된 횟수를 반복해도 설정된 토크값보다 크게 감지될 경우 모터의 작동을 정지시키도록 제어되는 것을 특징으로 한다.

Description

이물질 감지 및 제거 기능을 갖는 전동 액츄에이터{Electric actuator having detecting and removing function for foreign substance}

본 발명은 지능형 전동 액츄에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 액츄에이터가 작동하는 중에 이물질이 걸릴 경우 토크값에 의해 이를 감지하고 제거하는 기능을 갖을 뿐만 아니라 제거가 불가능한 경우에는 작동을 멈추게 하여 시스템을 보호해 주는, 이물질 감지 및 제거 기능을 갖는 전동 액츄에이터에 관한 것이다.

수로(水路), 하수처리장, 발전소, 정유공장 또는 각종 화학공장 등 다양한 플랜트 시설과 설비 등에 설치된 유체가 흐르는 유로에는 버터플라이밸브나 볼밸브와 같은 밸브류 또는 댐퍼가 설치되어 있고, 이들을 개폐시키거나 개도(開度) 조정을 위해 액츄에이터(actuator)를 사용하고 있다. 이와 같은 액츄에이터는 내부에 설치되어 있는 모터가 외부로부터 전기를 인가받아 작동하게 되는데, 모터가 작동하면 워엄기어식 감속기구를 통해 모터의 회전수를 감속시킨 다음 밸브 또는 댐퍼 등을 약 90°의 범위 내에서 회전시켜 자동(경우에 따라서는 수동조작)으로 개폐하도록 구성되어 있다.

한편, 지금까지의 액츄에이터는 원활한 운전을 위해 토크스위치와 리미트스위치 등을 구비하고 있고, 과부하가 걸리지 않도록 기준 토크가 설정되어 있는데, 밸브를 개폐시키는 운전중에 이물질 등이 유입되어 과대한 토크가 감지될 경우 작동을 중지시키도록 구성되어 있다. 하지만, 스위치 유닛으로 구성할 경우 부품수가 많아지고, 부품수의 증가에 따라 고장율이 높아지며, 정확한 토크를 측정하기가 어렵다는 문제가 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여 특허등록 제438361호 "전동 액츄에이터의 토크 측정장치"와 같은 기술이 출현했는데, 이는 구동축에 대형 풀리 및 디스크와 가변식 마찰판을 설치하고, 풀리에 권취된 와이어를 전동수단 및 장력조절장치를 경유하여 웨이트에 결속하고, 스플라인 샤프트의 선단에 위치한 액츄에이터의 출력축을 끼운 상태에서 작동시켜 웨이트의 상승 여부를 통하여 액츄에이터가 사양에 맞는 토크를 갖고 있는지를 판단하도록 구성된 것이다. 하지만, 상기 특허는 토크를 측정하기 위한 구성이 너무 복잡하고, 실제 작동되고 있는 액츄에이터에서 정확한 토크를 측정하기가 어렵다는 문제가 있다.

또, 지금까지 출현했던 모든 액츄에이터는 작동중 측정된 토크가 설정치를 넘을 경우 곧바로 액츄에이터의 작동을 정지시키고 관리자에게 이상 유무를 알려 주도록 되어 있어서, 관리자가 현장에 직접 가서 과부하가 걸리는 원인을 찾아 조치를 하거나 수리를 해야 하므로, 간단한 이물질이 걸렸을 경우에도 조치가 끝날 때까지 액츄에이터의 작동이 중지되어야 한다는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 액츄에이터가 작동하는 중에 이물질이 걸릴 경우 스트레인게이지(strain gauge)에서 감지한 토크값에 기반한 제어부의 제어에 의해 모터가 정회전과 역회전을 일정 횟수 반복하여 이물질을 제거하고, 이물질이 제거되지 않을 경우에는 액츄에이터의 작동을 정지시켜 시스템을 보호해 주는, 이물질 감지 및 제거 기능을 갖는 전동 액츄에이터를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 과제 해결을 위해 본 발명에 따른 이물질 감지 및 제거 기능을 갖는 전동 액츄에이터는, 구동력을 발생시키는 모터; 상기 모터의 회전축에 장착되어 토크를 감지하여 제어부로 보내기 위한 스트레인게이지; 상기 모터의 회전력을 전달받아 밸브를 개폐하기 위한 샤프트에 전달하는 기어부; 상기 기어부와 연결되어 밸브의 개도(開度)를 측정하여 디지털로 표시해 주는 표시부; 액츄에이터의 작동을 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되어, 상기 밸브에 이물질이 걸려서 스트레인게이지에서 감지한 토크가 설정된 토크값보다 클 경우 모터의 정·역회전을 반복하여 이물질을 제거하고, 설정된 횟수를 반복해도 설정된 토크값보다 크게 감지될 경우 모터의 작동을 정지시키도록 제어되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 모터의 작동이 정지된 경우 수동으로 액츄에이터를 작동시킬 수 있도록 수동전환레버가 더 구비되고, 수동운전으로 전환될 경우 상기 기어부 상부에 위치한 클러치가 작동하여 모터와의 연결을 차단하고 수동운전핸들의 조작에 의해 밸브를 개폐시키도록 작동된다.

바람직하게는, 기어부는, 모터의 회전축 선단(先端)에 형성된 샤프트기어; 중심부분에 밸브를 개폐하기 위한 샤프트가 삽입되어 결합되고, 상기 샤프트기어와 치합되는 링기어; 중심부분에 밸브를 개폐하기 위한 샤프트가 삽입되어 결합되고, 상기 링기어의 하부에 위치하며, 링 형상의 하면 또는 상면에 기어가 형성된 카운팅웜기어; 상기 카운팅웜기어와 치합되는 피니언기어를 구비하여 구성된다.

바람직하게는, 표시부는 LCD 표시창을 통해 밸브의 개도(開度), 토크값을 표시해 주고, 모터의 작동이 정지된 경우에는 시각 또는 청각적으로 인지할 수 있는 경보를 발하는 경보수단을 더 구비한다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 전동 액츄에이터는, 액츄에이터가 작동하는 중에 이물질이 걸릴 경우 스트레인게이지에서 정밀하게 감지한 토크값을 제어부에 전송하고, 제어부의 제어에 의해 모터를 역회전시켜 밸브(게이트)를 원위치시킨 다음, 다시 정회전하여 밸브를 작동시키는 동작을 일정 횟수 반복하여 이물질을 제거한다. 만일 모터의 정회전과 역회전을 반복하면서 이물질 제거동작을 일정 횟수 반복해도 제거되지 않을 경우에는 액츄에이터의 작동을 멈추게 하여 전체 시스템을 보호해 준다.

도 1은 본 발명의 액츄에이터의 일부를 절개하여 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 단면도이다.
도 3은 도 1의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 액츄에이터에 밸브가 연결된 상태를 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 전동 액츄에이터의 가장 큰 기술적 특징은, 액츄에이터가 작동하는 중에 이물질이 걸릴 경우 스트레인게이지(strain gauge)에서 정밀하게 감지한 토크값에 기반하여 이물질 제거동작을 일정 횟수 반복하고, 제거가 불가능한 경우에는 액츄에이터의 작동을 정지시켜 시스템을 보호해 주도록 하여, 액츄에이터가 자체적으로 밸브에 이물질 걸림을 감지하고 제거하는 동작을 반복하는 지능적 기능을 갖게 했다는 점이다.

본 발명의 전동 액츄에이터는 수로(水路), 하수처리장, 발전소, 정유공장 또는 각종 화학공장 등 다양한 플랜트 시설과 설비 등에 설치된 유체가 흐르는 유로(流路)에 설치된 밸브를 개폐시켜 주기 위한 것인데, 구동력을 발생시키는 모터(11), 토크를 감지하기 위한 스트레인게이지(12), 모터(11)의 구동력을 전달하는 기어부(14), 밸브(20) 및 액츄에이터(10)의 상태를 디스플레이해 주는 표시부(17), 액츄에이터(10)의 작동을 제어하는 제어부(18)를 포함하여 구성된다.

스트레인게이지(12)는 모터(11)의 회전축에 장착되어 토크를 감지하여 제어부(18)로 보내기 위한 구성인데, 스트레인게이지 자체가 구조가 간단하고 정확한 토크값을 신속하게 측정할 수 있게 해준다. 액츄에이터에 적용했던 기존의 토크를 측정하기 위한 센서는 파워(power), 주파수, 전압 및 온도 변화에 따라 토크가 잘못 계산 되어지는 문제가 있었으나, 본 발명에서는 스트레인게이지를 사용함으로써 이와 같은 문제를 해결한 것이다.

기어부(14)는 모터(11)의 회전력을 밸브(20)를 개폐하기 위한 샤프트에 전달하는 동력전달 기능을 하는 구성이다. 모터(11)의 회전력은 웜기어에 의하여, 즉 샤프트기어(142)와 링기어(141)의 치합을 통해 수평방향으로 전달된 회전력이 수직방향으로 설치된 밸브(20)를 개폐하는 샤프트로 전달되어 회전력의 방향이 바뀌게 되는데, 샤프트기어(142)는 모터(11)의 회전축 선단(先端)에 수평방향으로 장착되어 있고, 링기어(141)는 중심부분에 밸브(20)를 개폐하기 위한 샤프트가 삽입되어 결합되고 샤프트기어(142)와 치합되어 작동하게 된다.

샤프트가 회전하여 밸브(20)가 개폐 작동을 하게 되면, 액츄에이터(10) 및 밸브(20)에 관한 정보를 표시부(17)에 디스플레이해 준다. 샤프트에는 링 형상의 카운팅웜기어(143)가 결합되게 되는데, 링 형상의 중심부분에 밸브를 개폐하기 위한 샤프트가 삽입되어 결합되고, 링 형상의 하면 또는 상면에는 기어가 형성되어 구성되며, 카운팅웜기어(143)는 링기어(141)의 하부에 위치하게 되며, 카운팅웜기어(143)는 피니언기어(144)와 치합되게 된다.

카운팅웜기어(143)와 피니언기어(144)는 베벨기어와 같은 형상으로 치합하여 작동하게 되며, 일단(一端)에 피니언기어(144)가 형성된 부재는 피니언기어(144)의 회전량에 따라 밸브(20)의 개도(開度)를 인식하게 되고, 제어부(18)의 제어에 의해 표시부(17)에 정보를 디스플레이 하게 된다.

표시부(17)는 LCD 표시창을 통해 밸브의 개도(開度)와 토크값 및 기능상태 등을 실시간으로 디지털로 표시해 주는 부분이다. 미설명 부호 181은 현장에서 관리자가 직접 조작할 수 있는 제어스위치이다.

제어부(18)는 액츄에이터(10) 전체의 작동을 제어하기 위한 것인데, 모터(11)가 정회전하여 밸브(20)를 개방하는 도중에 밸브(20)에 이물질이 걸려서 스트레인게이지(12)에서 감지한 토크가 설정된 토크값보다 더 큰 값으로 인식될 경우 끼임방지 기능이 작동되어, 모터(11)가 정회전을 즉시 멈추고 역회전하여 밸브를 폐쇄하고, 이와 같은 정·역회전을 반복하여 이물질을 제거하며, 설정된 횟수를 반복해도 설정된 토크값보다 크게 감지될 경우 이물질을 제거할 수 없는 것으로 판단하여 모터(11)의 작동을 정지시키도록 제어하며, 모터(11)의 작동이 정지된 경우에는 시각 또는 청각적으로 인지할 수 있는 경보를 발하는 경보수단(미도시)을 더 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명의 액츄에이터(10)는 수동으로도 작동할 수 있는데, 만일 어떤 원인에 의해 액츄에이터(10)를 수동으로 작동시키려고 할 경우, 수동전환레버(15)를 회전시켜 수동작동으로 전환시키면, 클러치(16)가 상승하면서 링기어(141)와 클러치(16)가 분리되게 되어 모터(11)는 공회전을 하게 되고, 밸브(20)를 개폐하는 샤프트와 모터(11)의 동력 연결이 차단되므로 수동운전핸들(151)의 조작에 의해 밸브(20)를 개폐시키게 된다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것이고, 명세서에 게시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되고, 그와 균등한 범위 내에 있는 기술적 사항도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 액츄에이터 11 : 모터
12 : 스트레인게이지 13 : 베어링
14 : 기어부 141 : 링기어
142 : 샤프트기어 143 : 카운팅웜기어
144 : 피니언기어
15 : 수동전환레버 151 : 수동운전핸들
16 : 클러치 17 : 표시부
18 : 제어부 181 : 제어스위치
20 : 밸브

Claims

유로(流路)에 설치된 밸브를 개폐시켜 주는 전동 액츄에이터에 있어서,
상기 액츄에이터는,
구동력을 발생시키는 모터;
상기 모터의 회전축에 장착되어 토크를 감지하여 제어부로 보내기 위한 스트레인게이지;
상기 모터의 회전력을 전달받아 밸브를 개폐하기 위한 샤프트에 전달하는 기어부;
상기 기어부와 연결되어 밸브의 개도(開度)를 측정하여 디지털로 표시해 주는 표시부;
액츄에이터의 작동을 제어하기 위한 제어부;
를 포함하여 구성되어, 상기 밸브에 이물질이 걸려서 스트레인게이지에서 감지한 토크가 설정된 토크값보다 클 경우 모터가 정·역회전을 반복하여 이물질을 제거하고, 설정된 횟수를 반복해도 설정된 토크값보다 크게 감지될 경우 모터의 작동을 정지시키도록 제어되는 것을 특징으로 하는 이물질 감지 및 제거 기능을 갖는 전동 액츄에이터.
제1항에 있어서,
상기 모터의 작동이 정지된 경우, 수동으로 액츄에이터를 작동시킬 수 있도록 수동전환레버가 더 구비되고,
수동운전으로 전환될 경우, 상기 기어부 상부에 위치한 클러치가 작동하여 모터와의 연결을 차단하고 수동운전핸들의 조작에 의해 밸브를 개폐시키도록 작동하는 것을 특징으로 하는 이물질 감지 및 제거 기능을 갖는 전동 액츄에이터.
제1항에 있어서, 상기 기어부는,
모터의 회전축 선단(先端)에 형성된 샤프트기어;
중심부분에 밸브를 개폐하기 위한 샤프트가 삽입되어 결합되고, 상기 샤프트기어와 치합되는 링기어;
중심부분에 밸브를 개폐하기 위한 샤프트가 삽입되어 결합되고, 상기 링기어의 하부에 위치하며, 링 형상의 일면에 기어가 형성된 카운팅웜기어;
상기 카운팅웜기어와 치합되는 피니언기어;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이물질 감지 및 제거 기능을 갖는 전동 액츄에이터.
제1항에 있어서,
상기 표시부는 LCD 표시창을 통해 밸브의 개도(開度), 토크값을 표시해 주는 것을 특징으로 하는 이물질 감지 및 제거 기능을 갖는 전동 액츄에이터.
제1항에 있어서,
상기 모터의 작동이 정지된 경우에는 시각 또는 청각적으로 인지할 수 있는 경보를 발하는 경보수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이물질 감지 및 제거 기능을 갖는 전동 액츄에이터.