KR20180122386A - 밸브 액튜에이터 - Google Patents

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KR20180122386A
KR20180122386A KR1020187028569A KR20187028569A KR20180122386A KR 20180122386 A KR20180122386 A KR 20180122386A KR 1020187028569 A KR1020187028569 A KR 1020187028569A KR 20187028569 A KR20187028569 A KR 20187028569A KR 20180122386 A KR20180122386 A KR 20180122386A
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valve actuator
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KR1020187028569A
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닐스 오버묄러
도미닉 마르크스
벤야민 뵈스
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카알 둥스 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 스테퍼 모터(18)의 발전기 동작의 경우에 작동되는 용량성 댐핑 회로(37)를 포함하는 댐핑 회로를 가지는 밸브 구동 장치(10)에 관한 것이다. 댐핑 회로는 모터 권선(26)과 함께 공진 조립체(LCR)를 형성하고, 공진 조립체는 회전 속도를 안정화하고 제어하는 효과를 가진다. 발전기 동작으로 구동하는 스테퍼 모터(18)의 회전 속도는 제어 회로의 제어 개입없이 한계 내에서 일정하게 유지된다. 그러므로, 댐핑 회로는 제어 시스템의 무전류 상태에서도 작동할 수 있으며, 외부 전류 공급에 관계없이 신뢰 가능하다. 신속 폐쇄가 달성되며, 모터(18)의 과도하게 긴 포스트-런닝이 확실하게 방지된다.

Description

밸브 액튜에이터
본 발명은 자기 폐쇄 기능(self-closing function)을 가지는 밸브, 멈춤 꼭지(stopcock), 게이트 또는 댐퍼를 위한 밸브 액튜에이터에 관한 것이다.
유체 밸브, 게이트, 댐퍼 등을 작동시키기 위하여, 밸브 폐쇄 부재의 작동 운동이 전기 모터에 의해 발생되는 전기 구동 장치가 예를 들어 DE 102 48 616 A1로부터 공지되어 있다. 여기에서, 전기 고장의 경우에 밸브를 폐쇄하는 폐쇄 스프링이 제공된다. 폐쇄 스프링의 폐쇄력은 모터 및 기어 장치(gearing)에서의 마찰 및 다른 영향에 의해 생성된 감속 토크를 극복하고 모터가 무전류 상태(currentless state)에 있을 때 밸브 폐쇄 부재를 폐쇄 위치로 이송하는 정도의 크기이다. 가스 적용의 경우에, 이러한 과정은 통상적으로 제한된 시간 기간, 예를 들어 1초 내에 완료되어야 한다. 다른 한편으로, 폐쇄 과정 동안 밸브 시트(valve seat) 및 밸브 폐쇄 부재의 과부하는 이러한 과부하가 밸브의 손상, 그러므로 기능성의 부족으로 이어질 수 있기 때문에 확실하게 방지되어야만 한다. 그러므로, 밸브 폐쇄 부재가 밸브 시트와 접촉함에 따라서 작용하는 운동 에너지는 제한되어야만 한다.
이를 위해, 기어 장치가 체인을 포함하고, 밸브 폐쇄 부재가 체인을 통해 폐쇄 스프링의 힘을 거슬러 개방 위치로 당겨지는, 전동 밸브 액튜에이터는 EP 2 228 573 B1로부터 공지되어 있다. 체인은 밸브 밀폐 부재에 당김력을 전달하지만, 미는 힘을 전달하지 않으며, 그러므로 동적 폐쇄 과정 동안, 느려지는 과정에 있는 모터-기어 장치를 밸브 시트와 접촉하는 폐쇄 부재로부터 분리한다. 이러한 원리의 기능성은 액튜에이터의 모터가 과도하게 긴 포스트-런닝(post-running)을 겪지 않으면 어떠한 속도로든 제공된다. 이러한 것은 폐쇄 스프링의 힘과 체인의 길이가 서로 조화되어야만 함을 의미한다. 동일한 밸브 액튜에이터들이 다른 폐쇄력을 가진 다양한 밸브에서 사용될 경우, 이러한 원리는 한계가 있다. 과도한 포스트-런닝이 있을 경우, 다음의 개방 과정을 준비하기 위해 보완되어야만 하는 허용 오차가 항상 있다. 그러므로, 가용성 시간에 대한 요구 사항이 있으면, 오버런(overrun)의 단독적인 사용이 적절하지 않다.
또한, 영구적으로 여기된 브러시리스 DC 모터를 제동하기 위한 간단한 단락 회로 조립체(short-circuit assembly)가 DE 35 31 262 A1로부터 공지되어 있다. 브러시리스 DC 모터는 전환 릴레이(switchover relay)를 통해 직류 전압 소스 또는 단락 회로 분기에 연결된다. 댐핑 회로(damping circuitry)가 활성화되면, 발전기 동작에서의 브러시리스 DC 모터 포스트-런닝(brushless DC motor post-running)이 단락되어서, 그 운동 에너지가 모터 및 단락 회로 조립체의 기술적으로 필요한 오믹 저항기(ohmic resistor)에서 열로 변환된다. 모터는 갑자기 정지한다.
본 발명의 목적은, 가변 크기의 밸브 또는 댐퍼에 사용될 수 있고 신뢰 가능한 자체 폐쇄를 제공하는 밸브 액튜에이터를 생성하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 제1항에 따른 밸브 액튜에이터에 의해 달성된다:
본 발명에 따른 밸브 액튜에이터는 통상적으로, 특정 인덕턴스 및 특정 오믹 저항을 각각 가지는 2개 이상의 권선을 구비하는 영구적으로 여기된 스테퍼 모터를 포함한다. 밸브 액튜에이터는 또한 기어 장치를 포함하며, 스테퍼 모터는 밸브 시트로부터 멀리 개방 방향으로 그리고 폐쇄 방향으로 밸브 시트를 향해 밸브 폐쇄 부재를 이동시키도록 구동에 의해 기어 장치의 구동를 통해 이러한 폐쇄 부재에 연결될 수 있다. 자동 자기 폐쇄 기능을 실시하기 위해, 스프링 수단이 제공된다. 스프링 수단은, 연결된 밸브 폐쇄 부재를 폐쇄 방향으로 사전 적재하고 전기 고장의 경우에 폐쇄 방향으로 이동시키기 위해 기어 장치에 직접 또는 간접적으로 연결된다.
모터의 권선은 폐쇄 스프링의 힘을 극복하여 개방 방향으로 제어된 방식으로 모터를 이동시키고 상기 모터를 사정 한정된 위치에서 유지할 수 있는 피드 회로(feed circuitry)에 연결된다. 아울러, 용량성 댐핑 회로를 포함하는 댐핑 회로가 제공된다. 이러한 용량성 댐핑 회로는 발전기 동작(폐쇄 이동 중)시에 구동하는 모터를 속도 의존성 방식으로 감속하도록 설계된다. 구동과 댐핑 사이를 전환할 수 있기 위하여 전환 디바이스가 제공된다. 이러한 것은 피드 회로 또는 댐핑 회로를 권선에 연결한다. 전환은 바람직하게 전력이 공급되지 않는 시간에 수행된다. 무전류 상태에서의 전환은 모터 전류를 제어하거나 조정하는 제어 디바이스에 의해 실시될 수 있다.
용량성 댐핑 회로는 댐핑 동작 동안 스테퍼 모터의 권선의 인덕턴스와 함께 공진 조립체를 형성하며, 공진 조립체는 발전기 동작시에 구동하는 회전 로터에 의해 여기된다. 결과적인 전류는 로터의 회전시 댐핑 방식으로 작용한다. 댐핑 효과는 로터 속도에 비선형으로 의존하고, 상기 속도가 상승함에 따라서 과도하게(overproportionally) 증가한다. 그러므로, 댐핑 회로는, 외부 제어 개입없이 폐쇄 과정 동안 모터 속도가 아주 작은 정도로만 폐쇄 스프링의 힘에 독립적으로 의존하여서, 한편으로는 너쿠 크지 않은 속도가 제공되고, 그러므로 너무 많은 운동 에너지가 모터 및 기어 장치에 제공되지 않으며, 다른 한편으로는 신속한 폐쇄가 신뢰 가능하게 달성될 수 있는 것을 보장한다.
스테퍼 모터의 권선의 각각은 바람직하게 상기된 방식으로 전환 디바이스를 통해 피드 회로에 연결되고, 댐핑을 위하여 용량성 댐핑 회로를 구비한 댐핑 회로에 연결된다. 그러므로, 스테퍼 모터의 모든 권선은 바람직하게 댐핑을 위해 사용된다. 원하는 댐핑은 탑재된 위상의 수로 조정될 수 있다.
전환 디바이스들은 바람직하게 동기식으로 동작되며, 즉 모든 권선이 그 피드 회로들에 연결되거나, 또는 모든 권선은 그 댐핑 회로들에 연결된다. 전환 디바이스들은 바람직하게 기계적 접점, 예를 들어 전환 릴레이를 구비하는 것들이다. 당해 전환 릴레이의 상시 폐쇄 접점은 바람직하게 댐핑 회로로 이어지는 반면에, 상시 개방 접점은 피드 회로로 이어진다. 전환 릴레이가 전류가 흐르지 않자마자, 즉 탈락하자 마자, 댐핑 회로는 활성화된다. 그러므로, 댐핑 회로는 전기 고장의 경우에도 신뢰 가능하게 작동한다.
용량성 댐핑 회로는 캐패시터를 포함하는 것이 바람직하며, 캐패시터는 전환 디바이스를 통해 스테퍼 모터의 권선과 함께 루프를 형성하며, 이러한 루프는 공진 회로이다. 권선의 오믹 저항 및 스테퍼 모터의 철 회로(iron circuit)의 철손(iron loss)은 이러한 공진 회로의 댐핑을 구성하고, 공진 회로의 양호도(quality factor)를 결정한다. 양호도는 바람직하게 적어도 5보다 크고, 바람직하게 10보다 크고, 더욱 바람직하게 20보다 크다. 그러므로, 공진 장치(resonance arrangement)의 비교적 가파른 공진 곡선이 달성되며, 이러한 것은 차례로 모터의 몹시 비선형인 감속 토크-속도 특성 곡선을 초래한다. 이러한 종류의 몹시 비선형인 특성 곡선은 댐핑 과정 동안 잘 한정된 모터 속도로 이어진다.
댐핑 디바이스 및 스프링 수단은 바람직하게 폐쇄 과정 동안의 모터 속도가 밸브를 개방할 때 속도의 5 내지 15배, 바람직하게 10배인 방식으로 서로 치수화되고 조정된다. 댐핑 디바이스는 밸브가 폐쇄되었으면 시스템에 남아있는 에너지에 기초하여 설계될 수 있으며, 상기 에너지는 신속 폐쇄 속도에 의존한다. 이러한 에너지는 밸브 폐쇄 부재가 밸브 시트에 대해 배치되면 모터 및 기어 장치를 감속 위상으로 구동한다. 다음의 개방 과정 동안 가용 시간을 최소화하기 위해 감속이 제한되면, 단부 스토퍼가 밸브측 기어 장치 출력을 위해 제공될 수 있다. 단부 스토퍼에 대한 기어 장치 출력의 충돌은 펄스를 가지며, 그 높이는 바람직하게 기어 장치가 어떠한 로딩도 경험하지 않는 정도이며, 또한 정상적인 작동에서 로딩이 부족하다. 다른 한편으로, 폐쇄 속도, 그러므로 모터 속도는 폐쇄 경로를 고려한 최대 폐쇄 시간이 어떠한 경우에도 목표에 못미치도록 낮다.
조정은 여기에서 기본적으로 댐핑 디바이스의 구성과 관련된다. 스프링 수단의 선택 및 그 스프링 력의 크기는 상대적으로 중요하지 않다. 그러므로, 밸브 액튜에이터는 적응 또는 변경을 요구함이 없이 다양한 폐쇄 스프링에 대해 용이하게 사용될 수 있다. 폐쇄 속도는 바람직하게 용량성 댐핑 회로에서 캐패시터의 크기에 의해 설정된다.
밸브 폐쇄 부재가 시트에 기대어 배치됨에 따라서 밸브 폐쇄 부재 및 밸브 시트로부터 멀어지는, 댐핑 방식으로 구동하는 모터에도 불구하고 모터 및 기어 장치에 존재하는 운동 에너지를 유지하기 위해, 기어가 없는 유닛(gearless unit)이 기어 장치와 밸브 폐쇄 부재 사이에 제공될 수 있다. 이러한 기어가 없는 유닛은 바람직하게 가요성 인장 수단, 예를 들어 체인에 의해 형성된다. 댐핑 회로는 모터 및 기어 장치의 단지 짧은 감속을 초래하며, 이러한 것은 체인을 위한 체인 휠의 전체 회전의 일부분으로 제한될 수 있다. 이러한 방식으로, 짧은 체인 및 짧은 감속 구역에서 작업하는 것이 가능하고, 이에 의해, 밸브 액튜에이터의 크기가 최소화될 수 있다.
본 발명에 따라서, 밸브 액튜에이터를 작동시키기 위한 방법이 추가적으로 제공된다. 방법의 특별한 특징은 특히 공진 특성을 가지는 댐핑 회로에 의한 밸브 액튜에이터의 스테퍼 모터의 댐핑에 있다. 모터 권선 및 용량성 댐핑 회로로 형성된 공진 장치는 댐핑 동안, 바람직하게 부-공진 동작(sub-resonant operation)으로 동작하며, 즉 발생된 전류의 주파수가 공진 장치의 공진 주파수 아래에 놓인다. 이러한 방식으로, 몹시 비선형인 감속 토크-속도 특성 곡선이 얻어지고, 감속 토크는 상승 속도에 상당히 과비례하여 매우 상승한다.
본 발명의 실시예의 세부 사항은 도면, 상세한 설명, 또는 종속항의 요지이다. 도면에서:
도 1은 밸브가 연결된 밸브 액튜에이터를 매우 크게 개략적으로 도시하는 도면;
도 2는 개략적이고 간략화된 회로도로 밸브 액튜에이터를 도시한 도면;
도 3은 도 1에 따른 밸브의 폐쇄 스프링의 스프링 특성 곡선을 도시한 도면;
도 4는 댐핑 회로의 공진 특성을 도시하는 그래프; 및
도 5는 공진 회로에 의해 생성된 감속 토크를 그래프 형태로 도시한 도면.
도 1은 밸브(11)의 작동을 위한 밸브 액튜에이터(10)를 도시하며, 그 입력부(12)로 진입하여 출력부(13)에서 배출되는 가스 스트림은 밸브에 의해 작동 가능하게 되거나, 차단되거나 조정될 수 있다. 이를 위해, 밸브 시트(15)가 밸브 하우징(14)에 배열되고, 밸브 폐쇄 부재(16)와 짝을 이룬다. 밸브 폐쇄 부재는 필요에 따라 밸브 시트(15)를 폐쇄 또는 해제할 수 있도록 이동 가능하게 배열된다. 도 1에 따른 예시적인 실시예에서, 밸브 폐쇄 부재는 밸브 시트(15)의 개방 축(opening axis)에 평행하게 이동하며, 밸브는 포펫 밸브이다. 그러나, 밸브 액튜에이터(10)는 게이트, 댐퍼 등으로 지칭되는 다른 밸브 형태에서 동일하게 사용될 수 있고, 예를 들어 폐쇄 부재는 개구의 개방 축에 직각으로 이동된다.
밸브 폐쇄 부재(16)는 밸브 폐쇄 부재(16)를 폐쇄 방향으로, 즉 밸브 시트(15)를 향해 사전 적재하는 폐쇄 스프링(17)과 짝을 이룬다.
밸브 액튜에이터(10)는 영구적으로 여기된 스테퍼 모터(18)를 포함하며, 이러한 스테퍼 모터는 기어 장치(19)를 통해 밸브 폐쇄 부재(16)에 연결된다. 기어 장치(19)는 모터 피니언(20)과 결합되는 적어도 하나의 기어 휠(21)을 가지는 감속 기어 장치이다. 또한 서로 결합되는 기어 휠(19)들은 연결될 수 있으며, 상기 기어 휠들은 힘 전달 경로를 형성한다. 힘 전달 경로는 도 1에서 점선으로 단순하게 도시된다. 힘 전달 경로는 회전하는 기어 장치 요소, 특히 직선으로 이동 가능한 기어 장치 요소, 예를 들어 기어 랙, 나사형 스핀들, 또는 도 1에서 예의 방식으로 도시된 바와 같은 체인(22)과 같은 가요성 인장 수단을 포함할 수 있다. 이러한 것은 한쪽 단부에서 체인 휠(23)에 연결되고, 그 다른 단부에서 밸브 폐쇄 부재(16)에 연결된다. 그러나, 체인 대신에, 가요성 와이어, 케이블, 벨트 등과 같은 다른 요소들이 또한 사용될 수 있다.
체인(22)은, 높은 인장 강도를 가지지만 낮은 전단 강도를 가지며 밸브 폐쇄 부재(16)의 움직임없이 푸시 방향으로 체인 휠(23)의 이동을 허용하는 연결을 형성한다. 그러므로, 이러한 것은 기어가 없는 유닛을 형성한다. 가요성 인장 수단 대신에, 기어가 없는 유닛은 슬롯에 안치된 드라이버와 같은 2개의 기어 장치 부재의 유격을 가지는 연결에 의해 또한 형성될 수 있다.
스테퍼 모터(18)는 도 2에 부분적으로 도시된 동작 회로(24)에 연결된다. 도시된 바와 같이, 스테퍼 모터(18)는 영구적으로 여기된 로터(27)의 회전을 위하여 회전장(rotary field)을 구성하도록 사용되는 전형적으로 복수의 권선, 예를 들어 2개의 권선(25, 26)을 가진다. 이를 위하여, 피드 회로(28)는 각각의 권선(25, 26)에 대해 제공되고 권선(26)을 위한 모든 피드 회로에 대해 예시적이고 대표적으로도 2에 도시된다. 피드 회로(28)는 상기 권선을 다른 권선(25)과 동상으로(in phase) 여기시키고 로터(27)의 이동 또는 위치를 결정하는 필드를 설정하기 위하여 권선(26)을 위한 제어된 가변 전류를 제공하도록 사용된다. 이를 위하여, 피드 회로(28)는 예를 들어 제어 회로(29)에 의해 제어되는 방식으로 동작되는 4개의 전자적으로 제어되는 스위치, 예를 들어 MOSFET 트랜지스터, IGBT 등을 가지는 스위치 브릿지(29)를 포함한다. 이러한 제어는 전류 센서 장치(30)를 통해 권선(26)에서 흐르는 전류를 검출하고 조정할 수 있다. 제어 회로(29)는 또한 다른 권선에 대한 인버터 브릿지(상세히 도시되지 않음)를 제어할 수 있고, 상기 권선의 전류를 제어 및/또는 조정할 수 있다.
인버터 브릿지로부터 유도된 전류는 예를 들어 제어 디바이스(29)에 의해 제어되는 전환 디바이스(31)를 통해 스테퍼 모터(18)에 공급된다. 이러한 전환 디바이스는 예를 들어 전환 릴레이에 의해 형성되고, 전환 릴레이의 혀부(32)는 릴레이의 무전류(통전 차단(de-energized)) 상태에서 상시 폐쇄 접점(normally closed contact)(33)에 연결되고, 전류 공급(여기된) 상태에서 상시 개방 접점(34)에 연결된다. 전환 디바이스의 전환은 바람직하게 무전류 상태에서 수행된다. 예를 들어, 저항(30)에 의한 제어 디바이스(29)는 모터 전류를 감시하고, 통과하는 전류가 한계값 아래로 떨어졌을 때만 전환 디바이스(31)를 전환한다. 이러한 것은 또한 모터(18)의 차단이 충분한 경우일 수 있다. 아울러, 전류가 존재함에도 불구하고, 최대 폐쇄 시간이 초과되면, 제어 디바이스(29)가 전환 디바이스(31)를 여전히 전환하도록 제공될 수 있다.
권선(26)은 한쪽 단부(35)에 의해 접촉 혀부에 연결되고, 상기 접촉 혀부에 의해 인버터 브릿지에 연결된다. 권선(26)은 그 다른 단부(36)에 의해 인버터 브릿지에 직접 연결된다. 단부(36)는 용량성 댐핑 회로(37)에 추가적으로 연결되고, 댐핑 회로 다른 단부는 상시 폐쇄 접점(33)에 기댄다. 용량성 댐핑 회로(37)는 적어도 하나의 캐패시터(38), 가능하게 병렬 또는 직렬로 연결된 캐패시터, 저항 또는 유도성 소자와 같은 추가의 구성 요소, 및 가능하게 다이오드 또는 Z-다이오드와 같은 비선형 구성 요소를 포함할 수 있다.
용량성 댐핑 회로(37)는 전환 릴레이(전환 디바이스(31))가 탈여기될(de-excited) 때 권선(26)에 병렬로 연결되어서, 권선(26)의 인덕턴스(L), 캐패시터(38)의 캐피시턴스, 및 권선(26)의 내부 저항(R)으로 형성된 공진 장치(LCR)가 형성된다. 가능하게 주파수 의존형 내부 저항(R)은 모터의 철손 및 기타 손실을 추가로 나타낼 수 있다. 공진 장치(LCR)는 바람직하게 진 주파수가 상승하는 품질로 보다 명확하게 정의되기 때문에 예를 들어 20보다 높은 고품질(Q)을 가진다:
Figure pct00001
저항(R)은 바람직하게 수 옴, 예를 들어 4 내지 8 Ω의 범위에 있으며, 인덕턴스(L)는 바람직하게 수 mH의 영역, 예를 들어 10 내지 20 mH의 범위에 있으며, 커패시턴스(C)는 바람직하게 수 백 nF, 예를 들어 330 nF의 범위에 놓인다.
밸브 액튜에이터(10)는 상술한 범위에 대해 다음과 같이 밸브(11)에서 작동된다:
먼저, 밸브(11)가 개방되어야 한다고 가정한다. 이를 위해, 제어 회로(29)는 전환 디바이스(31)를 통해 권선(25, 26)들에 전류 펄스를 공급하도록 연결된 인버터를 활성화시키도록 촉구되며, 밸브 폐쇄 부재(16)의 원하는 위치가 사전 한정된 수의 단계 후에 도달될 때까지, 전류 펄스는 로터(27)를 원하는 방향으로 회전시킨다. 이러한 상태에서 권선(25, 26)들은 이러한 방식으로 계속 통전될 수 있어서, 더 이상 회전하지 않는 자기장은 스테퍼 모터(18)에 유지되어, 로터(27)를 사전 한정된 위치에 유지할 수 있다.
밸브(11)의 제어된 조정 또는 또한 폐쇄는 인버터 브릿지의 적절한 활성화에 의해 권선(25, 26)들의 제어된 통전 하에서 제어 회로에 의해 마찬가지로 정상적으로 수행된다. 후진으로 회전하는 자기장이 생성되고, 이러한 것은 그런 다음 로터(27)를 후진으로 회전시킬 수 있고, 가능하게 정지 상태로 다른 위치로 후진할 수 있다. 이러한 작용을 하는 폐쇄 스프링(17)은, 항상 체인(22) 또는 케이블, 벨트 등과 같은 다른 인장 수단을 팽팽히 유지하고 밸브(11)의 폐쇄 방향으로 사전 적재하는 기능을 가진다. 그러나, 이러한 것은 폐쇄를 유발하지 못한다. 이러한 것은 제어된 방식으로 무전류 액튜에이터(10)의 경우에 밸브(11)를 폐쇄 위치로 전환하도록 폐쇄된 밸브와 신속 폐쇄에 의해 무전류 상태와 구별된다. 후자는 다음과 같이 수행된다:
무전류 상태에서, 제어 회로(29)에 이용 가능한 에너지는 제어된 모터 동작을 유지하는데 더 이상 충분하지 않다. 신속 폐쇄 펄스는 밸브 액튜에이터(10)의 공급 전압을 스위치 오프되도록 기동될 수 잇다. 이 경우에, 전환 릴레이는 탈락하며, 즉 전환 디바이스(31)는 혀부(32)와 상시 폐쇄 접점(33) 사이의 연결을 만든다. 여기에서, 제어 회로(29)는 전환 릴레이의 단절을 촉구하도록 여전히 동작 중일 수 있다. 대안적으로, 절환 밸브의 탈락, 즉 차단은 작동 전압의 누락에 의해 또한 간단히 실시될 수 있다. 전환 디바이스(31)는 바람직하게 무전류 상태로의 전환이 일어나고, 그러므로 전환 디바이스의 접촉이 검토되도록 제어된다. 이러한 방식으로, 용량성 댐핑 회로(37)는 어떠한 경우에도 권선(26)에 연결된다. 동시에, 다른 댐핑 회로가 다른 권선에 연결된다.
폐쇄 스프링(17)은 이제 밸브 폐쇄 부재(16)를 폐쇄 위치로 강제하고, 이렇게 함으로써 기어 장치(19)를 통해 스테퍼 모터(18)를 구동한다. 이러한 모터는 증가하는 속도로 작동하고, 이렇게 함으로써 권선(25, 26)들에서 전압을 발생시킨다. 공진 회로(LCR)에서, 발진 전류가 만들어진다. 이러한 과정은 밸브(11)의 전체 폐쇄 경로에 걸쳐서 연장된다. 이러한 진동의 회로 주파수(ω)는 바람직하게 공진 회로(LCR)의 공진 주파수보다 아래에 있으며, 그. 공진 특성 곡선은 도 4에 도시되어 있다. 작용 지점(I)은 공진 특성 곡선의 좌측의 저주파수 분기부에 놓인다. 이에 따라서, 감속 방식으로 작용하는 전류가 생성되며, 이러한 것은 도 5의 그래프에 따라서 감속 토크(M)를 유발한다.
발전기 전압(U)과 (회로) 주파수(ω) 사이의 상관 관계는 도 4에 따라 작용 지점(I)에서 몹시 비선형적이다. 이러한 것은 도 5에 따른 한층 몹시 비선형인 감속 토크 곡선을 초래한다. 알 수 있는 바와 같이, 감속 토크는 속도에 대한 작은 변화에 의해 과비례적으로 증가 또는 감소하고, 이러한 것은 대응하여 스테퍼 모터(18)에 의해 발생된 발전기 전압의 회로 주파수(ω)에 대한 작은 변화를 초래한다. 이러한 것은 밸브 폐쇄 부재(16)에서 작용하는 다양한 힘에 대해 매우 현저한 속도 안정화 효과를 가진다.
이러한 방식으로, 스테퍼 모터(18)가 최대 시간 내에 밸브(11)를 폐쇄하기에 충분히 빨리 작동하고, 다른 한편으로 시스템에 존재하는 운동 에너지를 너무 빨리 제한하지 않도록 작동하는 것을 보장할 수 있다. 여기에서, 이러한 과정은 도 3에 도시된 스프링 특성 곡선(II)에 거의 의존하지 않는다. 이러한 것은 가파르거나 또는 평탄할 수 있다. 그러나, 어떠한 경우에도, 영점을 통과하지 않으며, 그러므로 밸브 폐쇄 부재(16)가 밸브 시트(15) 상에 안치되더라도 폐쇄력이 여전히 존재한다.
밸브(11) 및 그 액튜에이터(10)의 동작 체계는 또한 간단한 개방 및 폐쇄로 제한될 수 있다. 이를 위해, 모터(18)는 액튜에이터(10)에 통전될 때 개방 위치로 이동되어 거기에서 유지될 수 있다. 단절, 즉 밸브의 폐쇄를 위해 차단된다. 밸브는 그런 다음 폐쇄 스프링(17)에 의해 구동되는 모터(18)가 발전기 동작시에 폐쇄 위치에서 공진 장치(LCR)에 의한 속도 제어로 작동한다는 점에서 폐쇄된다.
본 발명에 따른 밸브 액튜에이터(10)는 스테퍼 모터(18)의 발전기 동작으로 작동되는 용량성 댐핑 회로(37)를 구비하는 댐핑 회로를 가진다. 댐핑 회로는 모터 권선(26)과 함께 속도 안정화 및 규칙적인 방식으로 작용하는 공진 장치(LCR)를 형성한다. 발전기 동작으로 구동하는 스테퍼 모터(18)의 속도는 보다 특별하게 제어 회로의 제어 개입 없이 한계 내에서 일정하게 유지된다. 그러므로, 댐핑 회로는 컨트롤러의 무전류 상태에서도 동작 가능하며, 외부 전원 공급에 관계없이 신뢰할 수 있다. 신속한 폐쇄가 달성되고, 모터(18)의 과도한 포스트-런닝이 또한 확실하게 방지된다. 한편으로, 최대 폐쇄 시간은 확실하게 목표에 못미칠 수 있으며, 다른 한편으로 포스트-런닝 경로는 스토퍼에 의해 제한되고, 스토퍼에서의 접촉 에너지는 허용 범위로 확실하게 제한된다.
10 : 밸브 액튜에이터 11 : 밸브
12 : 입력부 13 : 출력부
14 : 밸브 하우징 15 : 밸브 시트
16 : 밸브 폐쇄 부재 17 : 폐쇄 스프링
18 : 스테퍼 모터 19 : 기어 장치
20 : 모터 피니언 21 : 기어 휠
22 : 체인 23 : 체인 휠
24, 24 : 동작 회로 25, 26 : 권선
27 : 로터 28 : 피드 회로
29 : 제어 회로 30 : 전류 센서 회로
31 : 전환 디바이스 32 : 혀부
33 : 상시 폐쇄 접점 34 : 상시 개방 접점
35, 36 : 권선(26)의 권선 단부 37, 37a : 댐핑 회로, 용량성 댐핑 회로
38 : 캐패시터 C : 캐패시턴스
L : 권선(26)의 인덕턴스 R : 손실 저항, 권선(26)의 내부 저항
LCR : 공진 회로 I : 작용 지점
U : 권선(26)의 발전기 전압 ω : 회로 주파수
F : 힘 x : 경로
M : 감속 토크 II : 스프링 특성 곡선
S : 억제 방식으로 작용하는 밸브 액튜에이터(10)에서의 힘의 합

Claims (15)

  1. 특히 자기 폐쇄 기능을 가지는 밸브(11) 또는 댐퍼를 위한 밸브 액튜에이터(10)로서,
    인덕턴스(L) 및 오믹 저항(R)을 가지는 적어도 2개의 권선(25, 26)을 포함하는 영구적으로 여기되는 스테퍼 모터(18),
    개방 방향으로 밸브 시트(15)로부터 멀어지고 또한 폐쇄 방향으로 상기 밸브 시트(15)를 향해 밸브 폐쇄 부재(16)를 이동시키기 위해 구동에 의해 상기 밸브 폐쇄 부재에 상기 스테퍼 모터(18)를 연결하는 기어 장치(19),
    상기 폐쇄 방향으로 상기 밸브 폐쇄 부재(16)를 사전 적재하기 위하여 상기 밸브 폐쇄 부재에 연결되는 스프링 수단(17),
    상기 권선(25, 26)들 중 하나에 연결되어 이를 통전하여 상기 스테퍼 모터(18)를 구동하는 피드 회로(28),
    용량성 댐핑 회로(38)를 구비한 적어도 하나의 댐핑 회로(37), 및
    상기 권선(25, 26)들 중 하나에 연결되어, 상기 권선(26)을 상기 피드 회로(28) 또는 상기 댐핑 회로(37)에 연결하는 적어도 하나의 전환 디바이스(31)를 포함하는 밸브 액튜에이터.
  2. 제1항에 있어서, 용량성 댐핑 회로를 구비한 추가의 댐핑 회로(37a) 및 추가의 전환 디바이스가 제공되며, 상기 추가의 전환 디바이스는 상기 피드 회로(28a) 또는 상기 댐핑 회로(37a)에 상기 권선(25, 26)들중 다른 권선을 연결하기 위하여 상기 다른 권선(25)에 연결되는 것을 특징으로 하는 밸브 액튜에이터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전환 디바이스(31) 및 상기 추가의 전환 디바이스는 동기식으로 전환되는 방식으로 제어되는 것을 특징으로 하는 밸브 액튜에이터.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전환 디바이스(31)는 기계적 접점을 구비하는 전환 릴레이인 것을 특징으로 하는 밸브 액튜에이터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 용량성 댐핑 회로(37)는 상기 권선(26)과 함께 공진 회로(LCR)를 형성하는 캐패시터(C)를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 액튜에이터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 공진 회로(LCR)는 5보다 큰, 바람직하게 10보다 큰, 더욱 바람직하게 20보다 큰 양호도(Q)를 가지는 것을 특징으로 하는 밸브 액튜에이터.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스프링 수단(17)은 상기 스프링 수단(17)에 인가된 힘(F)에 따라서, 상기 밸브 폐쇄 부재(16)의 경로(x)의 임의의 지점에서 억제 방식으로 작용하는 상기 밸브 액튜에이터(10)의 힘의 합보다 큰 스프링 특성 곡선을 가지는 것을 특징으로 하는 밸브 액튜에이터.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스프링 수단(17)은 상기 스프링 수단(17)에 인가된 힘(F)에 따라서, 상기 밸브 폐쇄 부재(16)의 경로의 임의의 지점에서, 공진 지점에서 상기 댐핑 회로(37)에 의해 인가될 수 있는 최대 감속 효과(M)보다 작은 스프링 특성 곡선을 가지는 것을 특징으로 하는 밸브 액튜에이터.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스프링 수단(17)은 양의 기울기를 가지는 힘-경로 특성 곡선을 가지는 것을 특징으로 하는 밸브 액튜에이터.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 댐핑 회로(37)는 점진적으로 상승하는 감속 토크-속도 특성 곡선인 것을 특징으로 하는 밸브 액튜에이터.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 댐핑 디바이스(37) 및 상기 스프링 수단(17)은, 폐쇄 과정 동안 상기 모터 속도(ω)가 상기 밸브(11)를 개방할 때의 속도의 5 내지 15배, 바람직하게 10배인 방식으로 서로 치수화되고 조정되는 것을 특징으로 하는 밸브 액튜에이터.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기어 장치(19)는 기어가 없는 유닛을 포함하며, 이에 의해, 포스트-런닝이 가능하게 만들어지며, 상기 포스트-러닝 동안, 상기 밸브 폐쇄 부재가 적소에 배치되면 상기 액튜에이터에 남아있는 운동 에너지가 제거될 수 있는 것을 특징으로 하는 밸브 액튜에이터.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기어 장치는 상기 밸브 폐쇄 부재(16)를 이동시키기 위하여 가요성 인장 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 액튜에이터.
  14. 제1항에 따른 밸브 액튜에이터를 작동시키기 위한 방법으로서,
    상기 스테퍼 모터(18)는 상기 밸브(11)를 개방하기 위하여 상기 전환 디바이스(31)를 통해 전류가 인가되며,
    상기 스테퍼 모터(31)는 상기 밸브(11)를 유지하기 위하여 상기 전환 디바이스(31)를 통해 유지 전류가 인가되며,
    상기 모터(18)는 상기 밸브(11)를 폐쇄하기 위하여 상기 전환 디바이스(31)를 통해 전류가 인가되며,
    상기 스테퍼 모터(18)는 상기 밸브(11)의 신속 폐쇄에 의해 상기 전환 디바이스(31)를 통해 상기 댐핑 회로(37)에 연결되어 발전기 동작으로 작동되며,
    상기 전환 디바이스(31)는 상기 권선(26)이 전환 시에 통전 차단되도록 바람직하게 제어되는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 스테퍼 모터(18)는 상기 댐핑 회로(37)에서 신속 폐쇄에 의해, 상기 발전기 동작에서 발생된 전압이 상기 권선(26) 및 상기 댐핑 회로(37)로 이루어진 공진 장치(LCR)의 공진 주파수보다 낮은 주파수(ω)를 가지는 속도로 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
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