NO341070B1

NO341070B1 - Elektromekanisk kraftaktuator

Info

Publication number: NO341070B1
Application number: NO20160219A
Authority: NO
Inventors: Egil Eriksen
Original assignee: Electrical Subsea & Drilling As
Priority date: 2016-02-10
Filing date: 2016-02-10
Publication date: 2017-08-21
Also published as: GB2563509A; US11333263B2; NO20160219A1; BR112018015538A2; GB2563509B; AU2017218842B2; WO2017138816A1; US20190032806A1; AU2017218842A1; GB201811662D0

Description

ELEKTROMEKANISK KRAFTAKTUATOR

Denne oppfinnelsen vedrører en elektrisk drevet kraftaktuator. Nærmere bestemt dreier det seg om en kraftaktuator som omfatter et aktuatorhus og hvor en elektrisk motor, via transmisjonselementer, er innrettet til å kunne drive en forskyvbar rulleskrue langs kraftaktuatorens lengdeakse, en dreibar rulleholder som er i inngrep med transmisjonselementene, er forsynt med minst én gjengerull som er i gjenget inngrep med rulleskruen, og hvor rulleskruen er forhindret fra å dreie om lengdeaksen.

Betegnelsen "kraftaktuator" er benyttet for å understreke at en aktuator ifølge oppfinnelsen er sær-lig velegnet til anvendelser hvor det kreves store aktueringskrefter. Bruksområdet er typisk kutte-og barrierefunksjoner i utblåsningssikringer for bore- og brønnkompletteringsanvendelser samt tilsvarende funksjoner for lettere brønnintervensjonsutstyr. Kraftbehovet kan være i størrelsesorden 1000-3000 tonn for de mest kraftkrevende funksjonene. Kraftaktuatoren kan være tilpasset undervannsbruk.

Det er utviklet elektromekaniske aktuatorer for anvendelse under vann. Således beskriver NO 336045 en elektromekanisk kraftaktuator, hvor en elektrisk motor, som omfatter en stator og en rotor, via transmisjonselementer er innrettet til synkront å drive minst to parallelle og i samme for-skyvingsretning samvirkende skruemutterforbindelser. De samvirkende skruemutterforbindelsene er koplet til et aktueringselement. Justering av lastfordelingen på de parallelle, synkroniserte skruene, for å unngå at skruene og aktueringselementet blir påført for stort bøyemoment, er krevende, og det stilles store krav til nøyaktighet ved montasje og vedlikehold av aktuatorens transmisjonselementer.

NO 333966 beskriver en elektromekanisk ringstempelaktuator. En senteråpning gjennom aktuatoren utgjør et fluidløp med en diameter som tillater gjennomføring av utstyr for brønnoperasjoner eller boring. En elektrisk ringmotor omkranser og er koplet til en aktuatormutter med innvendige gjengeruller som står i inngrep med en utvendig gjenget hylse, koplet til et aksialt forskyvbart ring-stempel.

US6585228B1 beskriver en ventilaktuator forsynt med en virvelstrømkløtsj, og hvor en elektrisk motor er innrettet til å drive en forskyvbar rulleskrue i kraftaktuatorens lengdeakseretning.

Fra WO2010099325 A2 er det kjent et aktueringssystem som omfatter en primærkraftgenerator, en mekanisk tilleggsmodul, typisk i form av et planetgirsystem, og en aktuator. Primærkraftgenerato-ren omfatter en drivaksel. Tilleggsmodulen omfatter et hus, en inngående aksel koplet til drivakselen, en utgående aksel og en planetgirmodul. Planetgirmodulen omfatter et solhjul tilkoplet den inngående akselen, en planetbærer koplet til den utgående drivakselen, en ytre ring og planetgir som er i inngrep med solhjulet og den ytre ringen. En applikasjonsspesifikk modul er tilkoplet huset og er innrettet til selektivt å la den ytre ringen i planetgirmodulen kunne rotere. Aktuatoren er tilkoplet den utgående akselen. Aktueringssystemet kan være forsynt med en brems som går i inngrep med planetgirmodulens ytre ring. Alternativt kan primærkraftaktuatoren være forsynt med en brems, eller en separat brems kan være anordnet i tilleggsmodulen.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk, eller i det minste å skaffe til veie et nyttig alternativ til kjent teknikk.

Formålet oppnås ved trekkene som er angitt i nedenstående beskrivelse og i de etterfølgende pa-tentkravene.

En elektrisk drevet, relativt kompakt kraftaktuator er bygget opp omkring et aktueringselement i form av en rulleskrue. Et antall gjengeruller er fordelt om og er i gjenget inngrep med rulleskruen, idet gjengerullene er opplagret i en dreibar rulleholder. Rulleholderen drives via transmisjonsele-ment av en innebygget elektrisk motor. Rulleskruen er forhindret fra å kunne dreie relativt kraftaktuatorens hus. I en foretrukket utførelsesform er kraftaktuatoren forsynt med brems og en aktue-ringsspindel for utvendig aktuering av kraftaktuatoren. Kraftaktuatoren er videre forsynt med adskilte trykk-kompenseringskamre for motordelen og rulleskruedelen. I tillegg til å sørge for ordi-nær trykkompensering, sørger kompensatoren for aktuatorhuset for å trykkompensere for væske-volumendring i aktuatorhuset som oppstår ved aksiell forskyvning av rulleskruen.

Oppfinnelsen er definert av det selvstendige patentkravet. De uselvstendige kravene definerer fordelaktige utførelser av oppfinnelsen.

Oppfinnelsen vedrører mer spesifikt en elektrisk drevet kraftaktuator som omfatter et aktuatorhus, og hvor en elektrisk motor, via transmisjonselementer, er innrettet til å kunne drive en forskyvbar rulleskrue langs kraftaktuatorens lengdeakse, og hvor en dreibar rulleholder som er i inngrep med transmisjonselementene, er forsynt med minst én gjengerull som er i gjenget inngrep med rulleskruen, og hvor rulleskruen er forhindret fra å dreie om lengdeaksen, og kraftaktuatoren er forsynt med en elektromagnetisk brems hvor en første del er forankret i et motorhus, og en roterbar andre del er aksialt forskyvbart festet til ett av transmisjonselementene i form av et første solhjul i et førs-te planetgir, idet det første solhjulet omfatter en relativt langstrakt hylse som rager innover i motorhuset, den elektromagnetiske bremsen er anordnet mellom hylsen og hylsebraketten, den første delen av den elektromagnetiske bremsen er festet til motorhuset via hylsebraketten og er forsynt med en elektromagnet, og den roterbare andre delen av den elektromagnetiske bremsen er forskyvbart festet til hylsen, og den første delen og den andre delen er innrettet til gå i inngrep med hverandre ved hjelp av en bremsefjær når elektromagneten er spenningsløs, og å frigjøres fra hverandre når elektromagneten tilføres spenning, ved at den andre delen forskyves ut fra den førs-te delen idet kraften fra bremsefjæren overvinnes.

En kraftaktuator med oppbygning i henhold til oppfinnelsen er vel egnet til å kunne oppta store krefter selv ved relativt små kraftaktuatordimensjoner. De samvirkende elementene rulleskrue og rullemutter er i og for seg kjent.

Rulleskruen kan være forsynt med flere parallelle gjenger. Kreftene mellom rulleskruen og gjengerullene kan derved fordeles på en gunstig måte.

En aksling som er forsynt med spor, kan være i rotasjonshindrende, forskyvbart inngrep med låse-spor tilknyttet rulleskruen. Akslingen forhindrer derved rulleskruen fra å dreie, også når den minst ene gjengerullen ruller mot rulleskruens gjenger.

En aktiveringsspindel som er tilkoplbar til et utvendig momentverktøy, kan være i valgbart inngrep med det første planetgirets første solhjul. Skulle den elektriske motoren svikte, kan kraftaktuatoren aktiveres ved hjelp av en utvendig motor, for eksempel ved hjelp av en ROV, når kraftaktuatoren er dykket.

For undervannsbruk kan kraftaktuatoren være trykkompensert, idet motoren og rulleskruen befinner seg i separate kammer. Det er derved tilrettelagt for anvendelse av ulike fluider i de to kamrene. Typisk er motoren, som dreier relativt hurtig, omgitt av et relativt lavviskøst fluid, mens rulleskruen som er mer saktegående, er omgitt av et fluid som har høyere viskositet. De to fluidene vil typisk også ha andre ulike egenskaper.

Motoren kan omfatte minst to uavhengige sett viklinger for å sikre drift dersom det ene settet av viklinger eller en tilordnet kontrollutrustning og/eller strømforsyning skulle feile.

Apparatet ifølge oppfinnelsen tilveiebringer en relativt kompakt og lett kraftaktuator som er tilrettelagt for å kunne fjernstyres, både med hensyn til den kraft den utøver og den relative posisjon av aktueringselement, som utgjøres av rulleskruen, i kraftaktuatoren.

Kraftaktuatoren kan forsynes med for eksempel en posisjonsgiver som tilkoplet et styresystem til enhver tid kan vise rulleskruens relative posisjon i kraftaktuatoren. Aktueringskraften som motoren utøver mot rulleskruen, styres ved hjelp av tilført effekt.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 perspektivisk viser kraftaktuatoren ifølge oppfinnelsen sett fra motorsiden; Fig. 2 viser i større målestokk et aksialsnitt I-l i fig. 1;

Fig. 3 viser det samme som i fig. 2, men hvor kraftaktuatoren er aktivert; og

Fig. 4 viser i større målestokk et utsnitt fra fig. 2.

På tegningene betegner henvisningstallet 1 en kraftaktuator i henhold til oppfinnelsen. Som vist på fig. 1, omfatter kraftaktuatoren 1 et aktuatorhus 2 og et motorhus 4 som er festet til aktuatorhuset 2. Aktuatorhuset 2 og motorhuset 4 er forsynt med henholdsvis en første trykkompensator 6 og en andre trykkompensator 8 av i og for seg kjent utførelse. En aktiveringsspindel 10 rager ut gjennom en tettende åpning 12 i motorhuset 4.

Det henvises nå til fig. 2 og 4.

En første kompenseringsåpning 14 forbinder den første trykk-kompensatoren 6 med et første kammer 16 som befinner seg i aktuatorhuset 2. En andre kompenseringsåpning 18 forbinder den andre trykk-kompensatoren 8 med et andre kammer 20 som befinner seg i motorhuset 4. Det førs-te kammeret 16 og det andre kammeret 20 er atskilt ved hjelp av en tetning 22. Trykk-kompensatorene 6, 8 kommuniserer med omgivelsestrykket.

En elektrisk motor 24 befinner seg i motorhuset 4. Motoren 24 omfatter en stator 26 med to sett uavhengige viklinger, og en rotor 28. Statoren 26 tilføres strøm via ikke viste ledninger. Rotoren 28 er dreibart opplagret på en hylsebrakett 30 som er festet til motorhuset 4. Rotoren 28 er videre koplet til og driver et første solhjul 32.

Det første solhjulet 32 omfatter en relativt langstrakt hylse 34 som rager innover i motorhuset 4. En elektromagnetisk brems 36 er anordnet mellom hylsen 34 og hylsebraketten 30. Bremsen 36 omfatter en første del 38 med en elektromagnet 40 hvor den første del 38 er festet til motorhuset 4 via hylsebraketten 30, og en andre del 42 som er forskyvbart festet til hylsen 34. Den første delen 38 og den andre delen 42 samvirker slik at de, når elektromagneten 40 er spenningsløs, er i fjærfor-spent, bremsende innbyrdes inngrep ved hjelp av en bremsefjær 44. Inngrepet mellom delene 38 og 42 kan være basert på fortanning og/eller friksjon.

Når elektromagneten 40 tilføres spenning, løses bremsen 36 ut ved at den andre delen 42 forskyves ut fra den første delen 38 idet kraften fra bremsefjæren 40 overvinnes. Skulle elektromagneten 40 som tilføres energi via ikke viste ledninger, svikte, er motoren 24 sterk nok til å overvinne brem-sekraften.

Bremsefjæren 44 spenner mot et aktiveringshjul 46 som er festet til hylsen 34. Når aktiveringsspindelen 10 forskyves inn i motorhuset 4 slik det er vist i fig. 4, kommer aktiveringsspindelen 10 i dreibart inngrep med aktiveringshjulet 46 og derved det første solhjulet 32. Aktiveringsspindelen 10 er i sin deaktiverte stilling fjærforskyvbart holdt ute av inngrep med aktiveringshjulet 46.

Det første solhjulet 32 er opplagret om en aksling 48 som befinner seg sentrisk i forhold til kraftak tuatorens 1 lengdeakse 50. Akslingen 48 er festet til motorhuset 4. Det første solhjulet 32 utgjør et anlegg for tetningen 22 som skiller mellom det første kammeret 16 og det andre kammeret 20. Det kan også være anordnet en ikke vist tetning omkring akslingen 48 for å hindre fluidkommunikasjon mellom de to kamrene 16, 20.

Det første solhjulet 32 er videre i tannet inngrep med et antall første planethjul 52. De første planethjulene 52 er i inngrep med et omkransende ringhjul 54 som er festet mellom aktuatorhuset 2 og motorhuset 4. Det første solhjulet 32, de første planthjulene 52 og ringhjulet 54 utgjør et første planetgir 56.

De første planethjulene 52 er dreibart om sin senterakse 58 festet til en planethjulsbærer som også utgjør et andre solhjul 60. Det andre solhjulet 60 er dreibart opplagret om akslingen 48 og er i tannet inngrep med et antall andre planethjul 62. De andre planethjulene 62 er i inngrep med ringhjulet 54. Det andre solhjulet 60, de andre planethjulene 62 og ringhjulet 54 utgjør et andre planetgir 64.

De andre planethjulene 62 er dreibart om sin senterakse 66 festet til en rulleholder 68. Det første planetgiret 56 og det andre planetgiret 64 utgjør således transmisjonselementer 70 mellom motoren 24 og rulleholderen 68.

Rulleholderen 68 er ved hjelp av relativt kraftige lager 72 opplagret i aktuatorhuset 2 og er dreibar om en lengdeakse 50. Et antall gjengeruller 74 er dreibart opplagret i rulleholderen 68. Gjengerullene 74, som utvendig er forsynt med gjenger 76, er i gjenget inngrep med en rulleskrue 78 som er forsynt med et antall parallelle gjenger og utgjør kraftaktuatorens 1 aktueringselement.

Rulleskruen 78 er opplagret, sentrert og forskyvbar langs lengdeaksen 50. Akslingen 48 er forsynt med et sporparti 80 som rager inn i en boring 82 i rulleskruen 78. En sporskive 84 som er forsynt med en senterutsparing 86 som passer komplementært til sporpartiet 80, er festet til rulleskruen 78. Rulleskruen 78 er derved forhindret fra å kunne dreie om lengdeaksen 50. Sporskiven 84 eller rulleskruen 78 er forsynt med ikke viste ventilasjonsåpninger for ventilering av boringen 82.

Kraftaktuatorens 1 rulleskrue 78 er forsynt med ikke viste dreneringsåpninger for trykk-kompenseringsfluid der dette er nødvendig for å tillate passasje av fortrengt væskevolum i aktuatorhuset 2.

Ved aktivering av kraftaktuatoren 1 spenningsettes elektromagneten 40 først hvorved den løser ut. Motoren 24 startes og dreier det første solhjulet 32 om lengdeaksen 50. Det første solhjulet 32 driver de første planethjulene 52 som er i inngrep med ringhjulet 54. De første planethjulene 52 dreier på i og for seg kjent måte om lengdeaksen 50 og trekker med seg det andre solhjulet 60 med redusert hastighet i forhold til det første solhjulet 32.

Det andre solhjulet 60 driver de andre planethjulene 62 som også er i inngrep med ringhjulet 54. De andre planethjulene 62 dreies om lengdeaksen 50 og trekker med seg rulleholderen 68 med

ytterligere redusert hastighet i forhold til det første solhjulet 32.

Når rulleholderen 68 dreies om lengdeaksen 50, dreies gjengerullene 74 om rulleskruen 78, hvorved rulleskruen 78, siden den er forhindret fra å dreie om lengdeaksen 50, forskyves aksialt i forhold til aktuatorhuset 2, se fig. 3.

Ved å starte motoren 24 i motsatt dreieretning, vil rulleskruen 78, som utgjør kraftaktuatorens 1 aktueringselement, forskyves i motsatt retning.

Aktuatoren 1 kan også drives med et eksternt momentverktøy som illustrert i fig. 4. Når tannhjulet på den fjærbelastede aktiveringsspindelen 10 skyves i inngrep med aktiveringshjulet 46 og spinde-len 10 roteres, drives transmisjonselementene 70, rulleholderen 68 og rulleskruen 78 på tilsvarende måte som ved vanlig motordrift. Fortrinnsvis frigjøres først bremsen 36, eventuelt overvinnes bremsens 36 holdemoment med momentverktøyet om funksjonsfeil gjør dette nødvendig.

Claims

1. Elektrisk drevet kraftaktuator (1) som omfatter et aktuatorhus (2), og hvor en elektrisk motor (24) via transmisjonselementer (70) er innrettet til å kunne drive en forskyvbar rulleskrue (78) langs kraftaktuatorens (1) lengdeakse (50), en dreibar rulleholder (68) som er i inngrep med transmisjonselementene (70), er forsynt med minst én gjengerull (74) som er i gjenget inngrep med rulleskruen (78), og hvor rulleskruen (78) er forhindret fra å dreie om lengdeaksen (50),karakterisert vedat kraftaktuatoren (1) er forsynt med en elektromagnetisk brems (36) hvor en første del (38) er forankret i et motorhus (4), og en roterbar andre del (42) er aksialt forskyvbart festet til ett av transmisjonselementene (70) i form av et første solhjul (32) i et første planetgir (56), idet det første solhjulet (32) omfatter en relativt langstrakt hylse (34) som rager innover i motorhuset (4), den elektromagnetiske bremsen (36) er anordnet mellom hylsen (34) og hylsebraketten (30), den første delen (38) av den elektromagnetiske bremsen (36) er festet til motorhuset (4) via hylsebraketten (30) og er forsynt med en elektromagnet (40), og den roterbare andre delen (42) av den elektromagnetiske bremsen (36) er forskyvbart festet til hylsen (34), og den første delen (38) og den andre delen (42) er innrettet til gå i inngrep med hverandre ved hjelp av en bremsefjær (44) når elektromagneten (40) er spenningsløs, og å frigjøres fra hverandre når elektromagneten (40) tilføres spenning, ved at den andre delen (42) forskyves ut fra den første delen (38) idet kraften fra bremsefjæren (40) overvinnes.

2. Kraftaktuator (1) i henhold til krav 1,karakterisert vedat rulleskruen (78) er forsynt med flere parallelle gjenger.

3. Kraftaktuator (1) i henhold til krav 1 eller 2,karakterisert vedaten aksling (48) som er forsynt med et sporparti (80) er i rotasjonshindrende, forskyvbart inngrep med en utsparing (86) tilknyttet rulleskruen (78).

4. Kraftaktuator (1) i henhold til ett eller flere av de foregående krav,karakterisert vedat en aktiveringsspindel (10) som er tilkoplbar til et utvendig moment-verktøy, er i valgbart inngrep med det første planetgirets (56) første solhjul (32).

5. Kraftaktuator (1) i henhold til ett eller flere av de foregående krav,karakterisert vedat kraftaktuatoren (1) er trykk-kompensert, idet motoren (24) og rulleskruen (78) befinner seg i separate kammer (16, 20).

6. Kraftaktuator (1) i henhold til ett eller flere av de foregående krav,karakterisert vedat motoren (24) omfatter minst to uavhengige sett viklinger.