JP4877657B2

JP4877657B2 - 電動アクチュエータ

Info

Publication number: JP4877657B2
Application number: JP2007248890A
Authority: JP
Inventors: 雄造橋本
Original assignee: 日本ギア工業株式会社
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2027-09-26
Also published as: JP2009081935A

Description

本発明は、インバータによって駆動される交流モータを有する電動アクチュエータに関する。

従来、バルブやゲートの開閉を行う駆動装置として、交流モータの回転をウオーム歯車等の歯車列で減速してバルブステムを直線運動または回転運動させる電動アクチュエータが広く用いられてきた。この電動アクチュエータの基本構成は、交流モータの回転をウオーム歯車等の歯車列で減速してバルブステムを駆動する動力伝達系と、バルブやゲートの開度を検出して所定位置で停止させる位置リミット装置と、バルブやゲートの駆動に要する負荷トルクをウオーム軸に装着したスプリングパックの変位から検出するトルクリミット装置と、を標準的に備えるものである。

ここで、一口にバルブと言ってもバルブには種々のタイプがある。弁体が回転動作するバタフライ弁やボール弁の場合には、電動アクチュエータにより弁体を９０度回転動作させる必要がある。また、弁体が直線動作する仕切弁や玉型弁の場合には、電動アクチュエータにより弁体を直線動作させる必要がある。しかし、電動アクチュエータの制御にとって弁体が回転動作するものか直線動作するものかは、それほど重要ではない。弁体が直線動作するタイプのバルブであっても、バルブステムの外周に設けた雄ねじと螺合する雌ねじたるステムナットを備えたスラストコンバータを用いることにより、電動アクチュエータの出力軸の回転動作を容易に直線動作に変換できるからである。

電動アクチュエータの制御にとって重要なことは、バルブの負荷特性がバルブのタイプによって大きく異なることである。例えば、バタフライ弁の場合には図４に示すように開度の途中に大きなトルクが作用する負荷特性を有する。一方、仕切弁の場合には図５に示すように全開又は全閉の際に大きなスラストが作用し、スラストコンバータを介して電動アクチュエータに大きなトルクが作用する負荷特性を有する。このようにバルブの負荷特性はバルブのタイプによって異なり、バルブの開度区間毎に必要な電動アクチュエータの出力トルクもバルブのタイプによって異なることになる。

因みに、仕切弁の場合には全閉全開の近傍を除く開度区間ではモータの定格トルクより小さなトルクしか作用しないが、全閉時にトルクシートする場合には、全閉の近傍において非常に大きなトルクが作用する。全閉時には定格トルクに対して２５０％程度の負荷トルクが作用するのが通例である。したがって、逆行程においても大きな負荷トルクが作用する。すなわち、トルクシートにより全閉した弁を開弁動作させる場合には定格トルクに対して２５０％以上の起動トルクが必要になる。概ね３００％程度の起動トルクが必要になる。かかる事情により、電動アクチュエータには、拘束された状態で最大のトルクを発生する性能を有するトルクモータが標準装備されている。

トルクモータを始動する際には大きな起動電流が流れることから、トルクモータを装備した電動アクチュエータの始動はマグネットスイッチ等を用いて商用電源に直入れ接続するのが通例である。しかしながら、バルブやゲートの駆動においても、開閉動作に要する時間を短縮する目的やウオータハンマリングを防止する目的等の必要性から、インバータにより可変速駆動をする技術が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

図６は、従来技術によるインバータで駆動される電動アクチュエータの概略構成を示すブロック図である。電動アクチュエータの出力軸はバルブ２のステム３に連結される。モータ４の回転はウオーム軸５に伝達され、該ウオーム軸５のウオームと噛み合うウオームホイール６に回転が伝達されて減速される。電動アクチュエータの出力軸系を構成するウオームホイール６には回転量、すなわちバルブの開度を検出するための開度検出器７が備えられる。また、ウオーム軸５の他端にはウオーム軸の軸方向移動を許容するようにスプリングパック51が設けられており、バルブステム３の負荷に応じて該スプリングパック51が変位し、負荷トルクを検出するトルクリミット装置52が備えられている。モータ４はインバータ８により駆動される。図示していながインバータ８と商用電源９との間には交流を直流に変換するコンバータが配設されている。

制御部50には開度検出器７の信号が入力されると共に、トルクリミット装置52の信号も入力されるようになっている。制御部からはインバータを駆動する周波数可変の出力信号が出力される。
特開平１０−２８１３２２号公報特開２００６−３４５６５３号公報

従来の電動アクチュエータにおいては、バルブの開度区間の如何を問わず、バルブの駆動に要する負荷トルクが大きくなれば、トルクリミット装置で設定された上限トルクリミットに達するまで大きなトルクが出力されるようになっていた。たとえ全閉全開の近傍以外の開度区間であっても、上限トルクリミット以下のトルクであれば、トルクモータはストールすることなく大きなトルクを出力するように選定されていた。

一方、この種の電動アクチュエータでは、種々の不具合が生じることにより、バルブステムに対して必要以上に大きな負荷（スラスト又はトルク）が作用することがある。たとえば、仕切弁においてバルブステムの一部分が発錆すると、軸封のためのパッキンとの間に大きな摩擦力が生じ、電動アクチュエータに対して負荷の増大となる。また、開閉動作中に弁座と弁体との間に異物が介在しても、電動アクチュエータに対して負荷の増大となる。このような事態に対処するため、従来から電動アクチュエータにはトルクスイッチが装着されており、上限トルクリミット値より大きなトルクが作用すると、駆動源であるモータの電源を遮断するようにされていた。また、トルク検出器としてエンコーダや圧力センサを用いて、負荷トルクを連続的に検出するようにしたものもある。

しかし、そのような電動アクチュエータにおいても、負荷トルクを連続的に検出することは可能であるものの、開閉動作中に弁座と弁体との間に異物等が挟まり、不意に過大トルクが作用することは避けられない。このように過大トルクが作用した場合であっても、新設されて間もないバルブであれば、許容トルクリミット以下のトルクであることからバルブに支障が生じることはない。しかしながら、設置後長期間経過したバルブにおいては、各部品および部品相互の結合状態に種々の劣化が進行する。そうすると、本来なら大きな負荷トルクが必要とされない中間開度区間において、上限トルクリミット値に近いトルクが作用すると、その段階でモータの運転を停止したとしても過大なトルクが作用したことによって、思わぬ支障を来たすことがある。例えば、仕切弁においてバルブステムの一部分に錆びが生じたことにより過大トルクが作用し、上限トルクリミットによりモータの運転が自動停止した場合であっても、バルブステムの錆びによって軸封部材たるパッキンに大きなダメージを与えることになる。一方、バルブの開度区間に対応して必要な負荷トルクは予め予測可能である。そこで、開度区間毎に本来必要でない過大トルクが生じないようにすることができれば、上記のようなダメージを回避することができる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、バルブの開度区間毎に必要なトルクに対しモータが必要以上のトルクを出さないようにし、バルブを過大トルクから保護することが可能な電動アクチュエータを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、バルブ又はゲートを開閉する電動アクチュエータであって、交流モータと、前記交流モータを駆動するインバータと、前記インバータを制御する制御部と、前記交流モータの回転を減速する歯車列と、前記バルブ又はゲートの開度を検出する開度検出器とを有し、前記バルブ又はゲートの開度区間毎に出力トルクを制御し、前記制御部が、開度信号と設定トルク信号とを比較するトルク信号比較器と、前記開度信号と設定速度信号とを比較する速度信号比較器と、前記トルク信号比較器の出力と前記速度信号比較器の出力から指令トルク信号を出力するＴ／Ｆ調整器と、前記指令トルク信号から指令トルク電圧を算出するＦ／Ｖ変換器と、前記指令トルク電圧と指令励磁電圧とをベクトル合成するベクトル合成器と、前記ベクトル合成器の出力電圧と指令トルク信号とからインバータの入力信号を演算するＰＷＭ演算器と、前記インバータから交流モータに出力される電流と前記ＰＷＭ演算器で演算される位相角とから励磁電流とトルク電流とを算出するベクトル変換器と、前記指令トルク電圧と前記指令励磁電圧と前記励磁電流と前記トルク電流と前記指令トルク信号と前記交流モータの一次抵抗とから出力トルクとすべりを算出するトルク演算器と、を備えることを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の電動アクチュエータにおいて、前記制御部がトルクブースト機能を有することを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の電動アクチュエータにおいて、前記交流モータが汎用モータであることを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動アクチュエータにおいて、前記開度検出器がアブソリュート型エンコーダであることを特徴とするものである。

本発明の電動アクチュエータによれば、バルブの開度区間毎に必要とされるトルクに対しモータが必要以上のトルクを出さないようにし、バルブに過大なトルクが作用するのを回避することができる。その結果、信頼性の高いバルブ開閉操作が可能となる。

請求項１記載の電動アクチュエータによれば、バルブの開度区間毎に必要とされるトルクに対しモータが必要以上のトルクを出さないようにし、バルブに過大なトルクが作用するのを高い精度で回避することができる。その結果、より一層信頼性の高いバルブ開閉操作が可能となる。

請求項２記載の電動アクチュエータによれば、前記効果に加えて、大きな起動トルクを出すことができる。

請求項３記載の電動アクチュエータによれば、製造コストが安価で、短納期にも対応することができる。

請求項４記載の電動アクチュエータによれば、バックアップ電源を要することなく開度信号を記憶保持することができる。

以下、本発明を実施するための形態について図１〜図３を参照しながら説明する。図１は、本発明が適用される電動アクチュエータの概略構成を示すブロック図である。電動アクチュエータ１の出力軸は、バルブ２のステム３に連結される。バタフライ弁やボール弁のように弁体が９０度回転することにより開閉動作を行うバルブに対しては、電動アクチュエータの出力軸が直接、又は必要に応じて補助減速機を介してバルブステムに連結される。一方、仕切弁や玉型弁のように弁体が直線移動することによって開閉動作を行うバルブに対してはスラストコンバータを介して連結される。

交流モータ４の回転はウオーム軸５に伝達され、該ウオーム軸５のウオームと噛み合うウオームホイール６に回転が伝達されて減速される。なお、電動アクチュエータの減速歯車列にウオーム歯車を用いるのは、一対の歯車で大きな減速比が得られ、コンパクトな構成が可能であると共に、大きな減速比においてはウオームホイール６側からウオーム軸５側を駆動できないというセルフロック機能を有することによる。

電動アクチュエータ１の出力軸系を構成するウオームホイール６には回転量、すなわちバルブ２の開度を検出するための開度検出器７が備えられる。この開度検出器７には、例えば特開２００４−１９８３８０号公報に開示されたアブソリュート型ロータリーエンコーダが好適である。このエンコーダはバルブの開度を多数の間欠歯車軸の回転位置によって記憶保持できるものであって、バックアップ電池を要することなくバルブの開度信号を半永久的に記憶保持できる特徴を有する。

交流モータ４は、インバータ８により駆動される。インバータ８は広く市販されている汎用の商品を用いることができる。また、交流モータ４には、大量生産され安価で堅牢な汎用の３相かご形誘導モータを用いることができる。なお、図示は省略したが、インバータ８と商用電源９との間には交流を直流に変換するコンバータが配設される。

制御部11には開度検出器７たるエンコーダの開度信号が入力されると共に、開度区間毎に任意の値に設定可能な設定トルク信号および設定速度信号が入力される。設定速度信号を入力するのは、電動アクチュエータを可変速運転可能とするためである。さらに詳述するなら、電動アクチュエータを可変速運転するのは、大きな負荷トルクが必要とされる開度区間において大きなトルクを出力させるべく、低い周波数で低速運転してモータおよびインバータの容量を抑制するためである。なお、図示は省略したが、制御部11には前述した設定信号の他にも手動運転と自動運転を切り替える信号等、各種の操作信号も入力される。

図２は、本発明の制御部11の構成を示すブロック図である。バルブの開度区間毎に定められるトルク値すなわち設定トルク信号は、バルブ開度信号とともにトルク信号比較器12に入力される。バルブの開度区間毎に定められる設定速度信号は、バルブ開度信号とともに速度信号比較器13に入力される。トルク信号比較器12の出力と速度信号比較器13の出力は、トルク信号と速度信号とから指令トルク信号たる周波数信号fsを出力するＴ／Ｆ調整器14に入力される。また、指令トルク信号たる周波数信号fsは、Ｆ／Ｖ変換器15に入力されて指令トルク電圧Vqに変換されると共に、ＰＷＭ演算器16にも入力される。

次に、Ｆ／Ｖ変換器15の出力である指令トルク電圧Vqと、指令励磁電圧Vdとがベクトル合成器17に入力され、ベクトル合成された電圧信号Vが出力される。この電圧信号Vは、ＰＷＭ演算器16に入力される。ＰＷＭ演算器16では、指令トルク信号たる周波数信号fsとベクトル合成された電圧信号Vとから、インバータ駆動信号Sが出力される。交流モータ４に対してはインバータ８からパルス幅変調された電流が供給される。

インバータ８から交流モータ４に供給される電流から検出された電流信号iと、ＰＷＭ演算器16により算出された位相角信号φはベクトル変換器18に入力され、ベクトル変換器18により励磁電流信号idとトルク電流信号iqが分離抽出される。これら励磁電流信号idとトルク電流信号iqは、トルク演算器19に入力される。また、トルク演算器19には、指令トルク電圧Vqと指令励磁電圧Vdと指令周波数信号fsと交流モータの一次抵抗値%R1も入力される。トルク演算器19では、これらの入力信号から出力トルクqeとすべりfeが算出される。

トルク演算器19で算出された出力のうち、出力トルクqeはトルク信号比較器12の出力に減算される。一方、トルク演算器19で算出されたすべりfeは速度信号比較器13の出力に加算される。また、トルク信号比較器12の出力とトルク演算器19で算出された出力トルクqeはコンパレータ20に入力され、出力トルクqeがトルク信号比較器12の出力を超えた場合には、コンパレータ20からトルク超過信号が出力されるようになっている。

次に、本発明に係る電動アクチュエータによりバルブの開度区間毎に出力トルクを制御する場合について説明する。図３は、本発明に係る電動アクチュエータの実施例によるバルブ開度区間と制限トルクの関係を示す説明図である。この実施例では、仕切弁において全閉動作をトルクシートにより行い、全閉位置および全開位置の５％前で制限トルクが異なる値に設定されている場合を示す。

先ず、バルブを中間開度から全閉動作させる場合について説明する。中間開度から閉動作を行うと、開度が５％になるまでは定格トルクが制限トルクとされる。開度が５％以下においては、制限トルクは定格トルク以上の値に設定される。この設定トルクはトルクシートにより全閉動作を行うに必要な値に設定される。例えば、定格トルクの２５０％に設定される。

次に、定格トルクの２５０％で全閉操作された弁体を開動作する場合、定格トルクの２５０％のトルクで開操作しても開動作が開始されるとは限らない。弁座に弁体が喰い込んでいることもあって、一般にトルクシート時のトルクよりも大きな起動トルクが必要になる。そこで、全閉状態から５％開度までの区間においては、定格トルクの３００％のトルクに設定される。このようなトルク設定において全閉状態から開動作を開始すると、全閉から５％の開度までは定格トルクの３００％が制限トルクとなり、確実に開動作を行うことができる。

また、開度５％から全開状態までは定格トルクが制限トルクとされ、全開状態に至る。設備仕様によっては全開動作にもトルクシートが要求される場合もあるが、通常の場合には全開時にトルクシートは要求されないので、全開の位置リミットで停止される。

このような位置リミットで全開停止された弁体を閉動作させる場合、通常であれば定格トルク以下のトルクで閉動作をさせることができる。しかし、長期間全開位置にある場合などでは起動時に定格トルクに近いトルクが作用することもある。そこで、全開から９５％の開度に至る区間においては定格トルクより大きなトルク、例えば定格トルクの１２０％の値が制限トルクとして設定される。なお、９５％から５％に至る開度区間においては定格トルクが制限トルクとされる。

このようにバルブの開度区間毎に指定した制限トルク以上の出力トルクが出ないよう制御することにより、バルブに過大なトルクが作用するのを回避することができる。その結果、信頼性の高いバルブ開閉操作が可能となる。また、トルクブースト機能を有することにより、指定した開度区間において大きなトルクを出力することができる。さらに、スプリングパックを装着して機械的にトルク検出を行う必要がないことから、電動アクチュエータの機構部品を大幅に削減でき、製造コストを大幅に低減することができる。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施をすることができる。例えば、上記実施例においてはバルブに適用した場合の電動アクチュエータについて説明したが、バルブと同様にして水門等のゲートについても適用することができる。

さらに、上記実施例においては、歯車列としてウオーム歯車を用いた電動アクチュエータについて説明したが、ウオーム歯車以外の歯車列を用いた電動アクチュエータにも適用できることは言うまでもない。

また、上記実施例においては、開度区間を全閉〜５％、５％〜９５％、９５％〜全開の３区間に分けて異なるトルク制限値を設定したが、開度区間をこれらの区間とは異なる区間に設定することもできるし、トルク制限値も上記実施例とは異なる任意の値に設定することもできる。

本発明が適用される電動アクチュエータの概略構成を示すブロック図である。本発明の制御部の構成を示すブロック図である。バルブ開度区間と制限トルクの関係を示す説明図である。バタフライ弁のバルブ開度と負荷トルクとの関係を示す特性図である。仕切弁のバルブ開度と負荷トルクとの関係を示す特性図である。従来技術による電動アクチュエータの概略構成を示すブロック図である。

１電動アクチュエータ
２バルブ
４交流モータ
５歯車列（ウオーム軸）
６歯車列（ウオームホイール）
７開度検出器（エンコーダ）
８インバータ
12 トルク信号比較器
13 速度信号比較器
14 Ｔ／Ｆ調整器
15 Ｆ／Ｖ変換器
16 ＰＷＭ演算器
17 ベクトル合成器
18 ベクトル変換器
19 トルク演算器

Claims

バルブ又はゲートを開閉する電動アクチュエータであって、
交流モータと、前記交流モータを駆動するインバータと、前記インバータを制御する制御部と、前記交流モータの回転を減速する歯車列と、前記バルブ又はゲートの開度を検出する開度検出器とを有し、
前記バルブ又はゲートの開度区間毎に出力トルクを制御し、
前記制御部が、
開度信号と設定トルク信号とを比較するトルク信号比較器と、
前記開度信号と設定速度信号とを比較する速度信号比較器と、
前記トルク信号比較器の出力と前記速度信号比較器の出力から指令トルク信号を出力するＴ／Ｆ調整器と、
前記指令トルク信号から指令トルク電圧を算出するＦ／Ｖ変換器と、
前記指令トルク電圧と指令励磁電圧とをベクトル合成するベクトル合成器と、
前記ベクトル合成器の出力電圧と指令トルク信号とからインバータの入力信号を演算するＰＷＭ演算器と、
前記インバータから交流モータに出力される電流と前記ＰＷＭ演算器で演算される位相角とから励磁電流とトルク電流とを算出するベクトル変換器と、
前記指令トルク電圧と前記指令励磁電圧と前記励磁電流と前記トルク電流と前記指令トルク信号と前記交流モータの一次抵抗とから出力トルクとすべりを算出するトルク演算器と、
を備えることを特徴とする電動アクチュエータ。
前記制御部がトルクブースト機能を有することを特徴とする請求項１記載の電動アクチュエータ。
前記交流モータが汎用モータであることを特徴とする請求項１または２に記載の電動アクチュエータ。
前記開度検出器がアブソリュート型エンコーダであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動アクチュエータ。』