NL8803148A - Inrichting met een actuator, een werkwijze voor toepassing in de inrichting, en een systeem voor het regelen van een gas of vloeistof stroom, omvattende de inrichting. - Google Patents

Description

North American Philips Corporation

Inrichting met een actuator, een werkwijze voor toepassing in de inrichting, en een systeem voor het regelen van een gas of vloeistof stroom, omvattende de inrichting.

De uitvinding heeft betrekking op een elektrische actuator, een stroombron en een bedieningseenheid, welke actuator is voorzien van een eerste actuatorlichaam, met twee diametraal gelegen magnetische polen, en een tweede zacht magnetisch actuatorlichaam, dat co-axiaal ten opzichte van het eerste actuatorlichaam is aangebracht en dat ten minste drie, gezien in omtreksrichting zich op regelmatige afstand van elkaar bevindende tanden omvat, welke elk zijn voorzien van een bekrachtigingsspoel, waarbij het eerste actuatorlichaam en het tweede actuatorlichaam over een luchtspleet met elkaar samenwerken en om een zwenkas over een hoek ten opzichte van elkaar zwenkbaar zijn.

Een dergelijke inrichting is bekend uit het US octrooi-schrift 4.447.793 (herewith incorporated by reference) en heeft een actuator, welke is voorzien van een cirkelcilindrische stator, welke een niet-cirkelcilindrische rotor met een noordpool en een diametraal gelegen zuidpool omgeeft. De stator is voorzien van een statorlichaam met drie statortanden en drie bekrachtigingsspoelen. De statortanden, welke ten opzichte van de rotor radiaal verlopen, vormen onderling hoeken van 120° en zijn voorzien van gebogen handvlakken, waarbij steeds tussen twee aangrenzende tandvlakken een nauwe doorgang aanwezig is. De tandvlakken vormen met de polen van de rotor, welke aan weerszijden van de polen is afgeplat, een luchtspleet.

Van de om de tanden van de actuator van de bekende inrichting aangebrachte bekrachtigingsspoelen zijn er twee bifilair gewikkeld en is de derde spoel enkelvoudig gewikkeld. De bekrachtigingsspoelen zijn elektrisch over een wisselschakelaar met een gelijkstroombron gekoppeld, waarbij steeds een van de bifilair gewikkelde spoelen en de niet-bifilair gewikkelde spoel gelijktijdig bekrachtigd worden. Door deze wijze van aansturing heeft de rotor twee stabiele posities.

De actuator van de bekende inrichting heeft een koppel-hoek karakteristiek, welke zodanig is, dat het koppel van de rotor maximaal is midden tussen de twee stabiele posities en minimaal is in beide stabiele posities. Daardoor is de bekende inrichting weliswaar geschikt om een schakelaar met twee discrete posities te bedienen, zoals in het bovengenoemde U$ octrooischrift is vermeld, echter met de bekende inrichting ontstaan problemen, indien deze gebruikt wordt in een regelsysteem, waarin een regelorgaan continu en gedefinieerd ingesteld moet worden in elk tussen een beginpositie en eindpositie gelegen werkpunt, zoals bijvoorbeeld het geval is met een over een hoek van bijvoorbeeld 90° zwenkbare regelklep in een met een gas of een vloeistof gevuld leidingsysteem.

Een nadeel van de bekende actuator is voorts, dat de tand- i vlakken, ter bestrijding van kleefkoppels, zodanig grote tangentiele afmetingen hebben, dat het om de tanden aanbrengen van spoelen tijdens fabricage van de actuator gecompliceerd is als gevolg van de geringe beschikbare ruimte tussen de opeenvolgende tandvlakken. Een verder nadeel is, dat het statorliehaam uit verscheidene onderdelen is samengesteld.

De uitvinding beoogt onder meer een in de aanhef genoemde inrichting te verschaffen, waarmede het mogelijk is, een regelorgaan van een regelsysteem nauwkeurig gedefinieerd in elke positie van zijr. regelbereik in te stellen. Bovendien beoogt de uitvinding de actuator van de inrichting zodanig uit te voeren, dat deze in hoge mate kleef-koppelvrij en eenvoudig robust te vervaardigen is.

De uitvinding vertoont daartoe als kenmerk, dat de bedie-ningseenheid van de inrichting een begrensd werkgebied heeft, en de inrichting een besturingseenheid omvat voor het in een aantal subgebie-den opdelen van het werkgebied van de bedieningseenheid en voor het in afhankelijkheid van die subgebieden regelbaar aansturen van een stroom door onderscheidenlijk één van de bekrachtigingsspoelen, twee, doch niet alle bekrachtigingsspoelen, en alle bekrachtigingsspoelen.

Een voordeel van de inrichting volgens de uitvinding is, dat hiermede de koppel-hoekkarakteristieken van de actuator zodanig benut kunnen worden voor het positioneren van een regelorgaan van een regel-eenheid, dat het regelorgaan eenduidig in alle posities van zijn regelbereik ingesteld kan worden. Indien de belasting van het regelorgaan toeneem als functie van de verplaatsing van het regelorgaan, is het met de inrichting volgens de uitvinding mogelijk het koppel eveneens als functie van de verplaatsing te laten toenemen, waardoor in een eindpositie van het regelorgaan een relatief hoog koppel aanwezig is, waar- door met een minimum aan vermogen die eindpositie bereikt kan worden.

Een uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding, waarbij het aantal tanden van de actuator en het aantal bekrachtigings-spoelen drie is, heeft het kenmerk, dat het aantal subgebieden drie is. In deze inrichting heeft de actuator drie duidelijk verschillende koppel-hoekkarakteristieken. Doordat de besturingseenheid het werkgebied van de bedieningseenheid in drie subgebieden opdeelt, kan bij het geschikt, achtereenvolgens aansturen van de stroom door één bekrach-tigingsspoel, twee bekrachtigingsspoelen en drie bekrachtigingsspoelen een optimaal gebruik van de genoemde karakteristieken gemaakt worden.

Een andere uitvoeringsvorm van de inrichting, waarin het kleefkoppel van de actuator vergaand geminimaliseerd is, heeft het kenmerk, dat het eerste actuatorlichaam van de actuator althans nagenoeg cirkelcilindrisch is uitgevoerd en diametraal is gemagnetiseerd. Het sinusvormige verloop van het magneetveld rondom het op deze wijze uitgevoerde eerste actuatorlichaam heeft in combinatie met de rotatie-symmetrie van het tweede actuatorlichaam een gunstig effect op het voorkomen van kleefkoppels.

Doorgaans zal de actuator een drie-fasen elektromagnetische aandrijfeenheid zijn, waarbij uit praktische overwegingen het eerste actuatorlichaam van de actuator bij voorkeur als een zwenkbaar lichaam zal zijn uitgevoerd. Het tweede actuatorlichaam fungeert dan uiteraard als een stilstaand statorlichaam.

De uitvinding heeft voorts betrekking op een werkwijze, welke in de inrichting volgens de uitvinding succesvol kan worden toegepast. De werkwijze volgens de uitvinding is gekenmerkt, doordat de besturingseenheid bij het doorlopen van het werkgebied van de bedieningseenheid de stroom aanstuurt door achtereenvolgens een eerste van de bekrachtigingsspoelen, de genoemde eerste spoel en ten minste één van de overige spoelen, doch niet alle spoelen, en alle bekrachtigingsspoelen. Bij voorkeur is de inrichting volgens de uitvinding voorzien van een actuator met drie tanden en drie bekrachtigingsspoelen. De stroom wordt dan door achtereenvolgens de eerste van de bekrachtigingsspoelen, de genoemde eerste spoel en ten minste één van de beide overige spoelen, en alle bekrachtigingsspoelen aangestuurd.

Een voordeel van de werkwijze volgens de uitvinding is, dat een optimaal gebruik van de koppel-hoekkarakteristieken van de actuator gemaakt wordt, teneinde het gehele werkgebied van een door de actuator aangedreven regelorgaan met een relatief laag gemiddeld toegevoerd elektrisch vermogen te doorlopen. Pit laatste heeft het bijkomend voordeel van een geringe warmteontwikkeling in de bekraehtigingsspoelen, hetgeen vooral bij toepassingen in ruimten met een hoge omgevingstemperatuur belangrijk is.

De uitvinding heeft bovendien betrekking op een systeem voor het gedefinieerd regelen van het debiet van een gasvormig of vloeibaar medium, omvattende een regeleenheid met een om een draaiingsas over een beperkte hoek draaibaar regelorgaan en de inrichting volgens de uitvinding, waarbij het regelorgaan mechanisch gekoppeld is met een actuator-as van de actuator. Het regelorgaan kan direkt, bijvoorbeeld mechanisch, gekoppeld zijn met de actuatoras, waarbij de hoek waarover de actuatoras werkzaam is overeenkomt met de beweging, bijvoorbeeld een zwenkbeweging van het regelorgaan. Bij voorkeur zal het regelorgaan zodanig ten opzichte van de actuatoras gepositioneerd zijn, dat in de eindpositie van het regelorgaan nog een hoog koppel door de actuator geléverd wordt.

De uitvinding wordt nu bij wijze van voorbeeld nader toegelicht aan de hand van de tekening, waarin

Figuur 1 een dwarsdoorsnede van een uitvoeringsvorm van de actuator van de inrichting volgens de uitvinding toont,

Figuur 2 een langsdoorsnede en een aanzicht volgens de lijn II-II van Figuur 1 toont,

Figuur 3 een schematische voorstelling van een uitvoeringsvorm van het systeem volgens de uitvinding toont,

Figuur 4 een grafische voorstelling van het uitgangssignaal van de bedieningseenheid van het systeem van figuur 3 als functie van de plaats in zijn werkgebied toont,

Figuur 5 een grafische voorstelling van de gemiddelde stroom in elke bekrachtigingsspoel van de actuator als functie van de plaats in het werkgebied van de bedieningseenheid van het systeem van figuur 3 toont,

Figuur 6 een vectordiagram toont, dat het koppel dat de actuator van figuur 1 kan leveren bij bekrachtiging van één, twee respectievelijk drie spoelen voorstelt, en

Figuur 7 de drie maximale koppel-hoek karakteristieken van de actuator toont, alsmede de koppel-hoek karakterisitiek van een belasting.

De in figuur 1 getoonde actuator 2 van de inrichting volgens de uitvinding omvat een eerste actuatorlichaam 1, een tweede actuator-lichaam 3 en een behuizing 4A en 4B. Het eerste actuatorlichaam 1 omvat een cilindervormig permanent diametraal gemagnetiseerd zwenklichaam 5 met een noordpool N en een zuidpool S. Het zwenklichaam 5 is door middel van een zacht-magnetische bus 7, uit bijvoorbeeld sinterijzer bevestigd op een actuatoras 9, die door twee lagers 11 en 13 steekt en ten opzichte van het tweede actuatorlichaam 3 om een zwenkas 15 zwenk-baar is. Het tweede actuatorlichaam 3 omvat een statorliehaam 17 met drie radiaal naar binnen gerichte tanden 19, 20 en 21 uit gesinterd ijzer, welke met het oog op het tegengaan van kleefkoppels bij voorkeur identiek aan elkaar zijn. Het statorliehaam 17 kan, indien dat gewenst wordt, uiteraard ook volgens een andere wijze worden vervaardigd, bijvoorbeeld door het stapelen van lamellen tot één blikpakket.

De tanden 19, 20 en 21, verder statortanden genoemd, zijn elk voorzien van een gebogen tandvlak 19A, 20A respectievelijk 21A. De handvlakken liggen alle op één en hetzelfde denkbeeldig cirkel-cilin-drisch manteloppervlak en vormen met het zwenklichaam 5 een luchtspleet 23. De drie statortanden 19, 20 en 21 zijn qua vorm en afmetingen aan elkaar gelijk en hebben hartlijnen, welke onderling hoeken van 120° met elkaar vormen, zodat het statorliehaam 17 als een tenminste inwendig rotatie-symmetrisch actuatordeel beschouwd kan worden. Mede als gevolg daarvan kunnen de tangentiele doorgangen 33 tussen de tandvlakken 21A, 22A en 23A relatief groot gekozen worden. In dit voorbeeld is de tangentiele afmeting van elk van de tandvlakken ongeveer een vierde deel van de omtrekslengte van het genoemde manteloppervlak.

Elk van de drie statortanden 19, 20 en 21 is voorzien van een bekrachtigingsspoel 29, 30 respectievelijk 31. De spoelen 29, 30 en 31 zijn gevormd door een aantal om de tanden 19, 20 en 21 aangebrachte windingen en hebben elk jniet-getekende spoeluiteinden, welke met een stroombron 35 (zie figuur 3) elektrisch zijn verbonden. Daar de doorgangen 33 tussen de tanden relatief groot zijn, is het omwikkelen van de tanden 19, 20 en 21 eenvoudig uit te voeren.

Het in figuur 3 getoonde systeem volgens de uitvinding kan bijvoorbeeld toegepast worden in automobielen ten behoeve van het regelen van een gasklep in een carburateur. Het systeem omvat een bedieningseenheid 37, welke is voorzien van een bedieningsorgaan, bijvoorbeeld een gaspedaal van een automobiel, en welke een plaatssensor 39 vertoont. De plaatssensor 39 kan bijvoorbeeld gevormd zijn door een potentiometer, waarvan het uitgangssignaal een functie is van de positie van het bedieningsorgaan in zijn werkgebied. Het systeem omvat voorts een besturingseenheid 41, bijvoorbeeld een microprocessor, welke elektrisch gekoppeld is met de bedieningseenheid 37, en welke elektrisch gekoppeld is met de stroombron 35. De stroombron 35 is elektrisch gekoppeld met de bekraohtigingsspoelen 29, 30 en 31 van de actuator 2. De stroombron 35 vertoont daartoe drie onafhankelijke uitgangen 43, 44 en 45, teneinde elke spoel 29, 30 en 31 afzonderlijk van een regelbare stroom te voorzien. De actuatoras 9 van de actuator 2 is mechanisch gekoppeld met een as 47 van een regeleenheid 49. Op de as 4? is een regelorgaan 51, bijvoorbeeld een klep, bevestigd. In dit voorbeeld is op de as 47 een schijf 53 gemonteerd, welke verbonden is met een trekveer 55. De trekveer 55 zorgt er ondermeer voor dat bij een onbekrachtigde actuator 2 het regelorgaan 51 in een vooraf gedefinieerde begin- of rustpositie staat.

In het hiernavolgende wordt de werking van het systeem volgens de uitvinding nader toegelicht.

Bij het bedienen van het bedieningsorgaan van de bedieningseenheid 37 ontvangt de besturingseenheid 41 een signaal van de plaatssensor 39. De besturingseenheid is zodanig geprogrammeerd, dat het werkgebied van de bedieningseenheid verdeeld wordt in drie subgebieden, bijvoorbeeld zoals grafisch weergegeven is in figuur 4, waarin de subgebieden zijn aangeduid met I, II en III. De besturingseenheid 41 stuurt de stroombron 35 als functie van de drie subgebieden, bijvoorbeeld zoals weergegeven is in figuur 5·

Zoals uit figuur 5 blijkt wordt in het subgebied I een bekrachtigingsspoel, bijvoorbeeld spoel 29 bekrachtigd, waarbij de stroom proportioneel toeneemt tot een maximale waarde bij de overgang van het eerste subgebied I naar het tweede subgebied II. In de rest van het werkgebied blijft die stroom verder constant. In subgebied II wordt een tweede bekrachtigingsspoel, bijvoorbeeld spoel 30, proportioneel bekrachtigd tot eenzelfde constante waarde bij de overgang van het subgebied II naar het subgebied III, welke stroom verder constant blijft.

In subgebied III wordt bovendien de bekrachtigingsspoel 31 proportioneel bekrachtigd.

De koppel-hoekkarakteristiek bij maximale stroomsterkte, verder de maximale koppel-hoekkarakterisitiek genoemd, van elke bekrachtigingsspoel 29 > 30 en 31 wordt in figuur 6 voorgesteld door een vector 59, 60 respectievelijk 61. De lengte van de vectoren correspondeert met het maximale koppel in de koppel-hoekkarakteristieken en de richting van de vectoren correspondeert met de plaats waar het koppel met een waarde nul instabiel is. In figuur 7 is die plaats voor de maximale koppel-hoekkarakteristiek (59) van spoel 29 weergegeven door het cijfer 63.

Door de aansturing van de bekrachtigingsstroom door de spoelen 29, 30 en 311 zoals reeds eerder aan de hand van figuur 5 besproken is, en door een geschikte combinatie van de vectoren, zoals is voorgesteld in figuur 6, worden drie maximale koppel-hoekkarakteristieken (59)> (59+60) en (59+60+61) bereikt, welke onderling in fase zijn verschoven. In dit voorbeeld bedraagt de verschuiving tot 30°.

In figuur 7 is tevens de koppel-hoekkarakteristiek (65) van de belasting van de regeleenheid 49 getoond. Met de volgens de inrichting volgens de uitvinding verkregen koppel-hoekkarakteristieken (59), (60+61) en (59+60+61) is het mogelijk goed gedefinieerde evenwichts-plaatsen te bereiken, welke plaatsen liggen tussen de beginpositie B en de eindpositie E van het regelorgaan 51. In dit voorbeeld roteert het regelorgaan 51 over een hoek van 90° tussen zijn beginpositie B en zijn eindpositie E.

Om het op de juiste wijze koppelen van een regelorgaan van een regeleenheid met de actuatoras van de actuator te waarborgen, kan de actuator voorzien zijn van mechanische aanslagen voor het begrenzen van de rotatiebeweging van de rotatie-as.

Het systeem volgens de uitvinding kan ten behoeve van het vormen van een gesloten regelcircuit voorzien zijn van een hoeksensor 67) welke bijvoorbeeld mechanisch gekoppeld is met de as 47 (zie figuur 3). De hoeksensor 67 geeft een signaal dat een functie is van de stand van het regelorgaan 51. De hoeksensor 67 is elektrisch gekoppeld met de besturingseenheid 41, waardoor kleine afwijkingen van de gewenste kiepstand bijgeregeld kunnen worden.

Vanzelfsprekend is de uitvinding niet beperkt tot de hier getoonde uitvoeringsvoorbeelden en het genoemde toepassingsgebied.

Claims (8)

1. Inrichting omvattende - een elektrische actuator, - een stroombron en - een bedieningseenheid, welke actuator is voorzien van - een eerste actuatorlichaam, met twee diametraal gelegen magnetische polen, en - een tweede zacht magnetisch actuatorlichaam, dat oo-axiaal ten opzichte van het eerste actuatorlichaam is aangebracht en dat ten ! minste drie gezien in omtreksrichting zich op regelmatige afstand van elkaar bevindende tanden omvat, welke elk zijn voorzien van een bekrachtigingsspoel, waarbij het eerste actuatorlichaam en het tweede actuatorlichaam over een luchtspleet met elkaar samenwerken en om een zwenkas over een hoek ten opzichte van elkaar zwenkbaar zijn, met het kenmerk, dat - de bedieningseenheid een begrensd werkgebied heeft, en - de inrichting een besturingseenheid omvat voor het in een aantal sub-gebieden opdelen van het werkgebied van de bedieningseenheid en voor het in afhankelijkheid van die subgebieden regelbaar aansturen van een stroom door onderscheidenlijk één van de bekrachtigingsspoelen, ten minste twee, doch niet alle bekrachtigingsspoelen, en alle bekrachtigingsspoelen.

2. Inrichting volgens conclusie 1 waarbij het aantal tanden en het aantal bekrachtigingsspoelen van de actuator drie is, met het kenmerk, dat het aantal subgebieden drie is.

3· Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het eerste actuatorlichaam van de actuator althans nagenoeg cirkel-cilindrisch is uitgevoerd en diametraal is gemagnetiseerd. Inrichting volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat het eerste actuatorlichaam van de actuator als een zwenklichaam en het tweede actuatorlichaam als een stilstaand statorlichaam met statortan-den is uitgevoerd.

5. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de actuator een drie-fasen elektromagnetische aandrijfeenheid is.

6. Inrichting volgens een van de conclusies 1 tot en met 5 met het kenmerk, dat de bedieningseenheid een plaatssensor omvat, welke gekoppeld is met een verplaatsbaar bedieningsorgaan van de bedieningseenheid, en welke electrisch verbonden is met de besturingseenheid .

7. Werkwijze toe te passen in de inrichting volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de besturingseenheid bij het doorlopen van het werkgebied van de bedieningseenheid de stroom aanstuurt door achtereenvolgens een eerste van de bekrachtigingsspoe-len, de genoemde eerste spoel en ten minste één van de overige spoelen, doch niet alle spoelen, en alle bekrachtigingsspoelen.

8. Systeem voor het gedefinieerd regelen van het debiet van een gasvormig of vloeibaar medium, omvattende - een regeleenheid met een om een draaiingsas over een beperkte hoek draaibaar regelorgaan, en - de inrichting volgens een van de conclusies 1 tot en met 6, waarbij het regelorgaan gekoppeld is met een actuatoras van de actuator.

9. Actuator ten gebruike in een inrichting volgens een van de conclusies 1 tot en met 6.