流量控制致動器的制造方法
【專利摘要】一種致動器(1’)，用于驅(qū)動控制流動通道(29)中的流體流量的調(diào)節(jié)元件(30)，包括用于驅(qū)動調(diào)節(jié)元件(30)的電動馬達(4)和用于控制提供給電動馬達(4)的電流的控制單元(2)。在從控制單元(2)至電動馬達(4)的電流路徑中定位有電阻元件(3)，電阻元件(3)包括電阻器(5)和與該電阻器(5)并聯(lián)的NTC熱敏電阻(6)。因而，當環(huán)境溫度升高時，電阻元件(3)的減小的電阻平衡馬達繞組的增大的電阻，從而使得從控制單元(2)至馬達(4)的電流較少地變化，并且馬達(4)的輸出轉(zhuǎn)矩隨之較少地變化。
【專利說明】流量控制致動器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于驅(qū)動控制流動通道中的流體流量的調(diào)節(jié)元件的致動器，該致動器包括用于驅(qū)動調(diào)節(jié)元件的電動馬達和用于控制提供給電動馬達的電流的控制單元，其中在從控制單元至電動馬達的電流路徑中定位有電阻元件。
【背景技術】
[0002]HVAC系統(tǒng)和部件，即加熱、通風和空調(diào)領域中的系統(tǒng)和部件以許多不同的設計存在。其中一種設計是名義上設計為在給定溫度范圍工作的系統(tǒng)和部件，但是也裝備有特殊特征，這些特殊特征允許這些系統(tǒng)和部件也可以在顯著不同的溫度條件下的異常情形中工作，至少持續(xù)一定的時間段。這種異常情形包括例如火災和煙霧情形。
[0003]由一些HVAC部件執(zhí)行的任務之一是調(diào)節(jié)流體的流量，例如經(jīng)過例如管、通風管道、通道等流動通道的水流量或空氣流量。這一般是利用擋板或閥來實現(xiàn)的，所述擋板或閥布置在流動通道中或流動通道附近，并且是可以控制的以便在給定程度上打開或關閉流動通道。
[0004]一般使用電動馬達來調(diào)節(jié)擋板或閥的位置，從而在流動通道中達到流體的期望流速。然而電動馬達的一個弊端是馬達的輸出功率隨著溫度升高而降低。這種降低的其中一個原因是電源不理想的這樣一個事實。另一個原因是電動馬達中的磁場由于磁鐵變?nèi)醵鴾p少。因而，在外界溫度升高的情況下，馬達轉(zhuǎn)矩減小，由于減小的馬達轉(zhuǎn)矩不再足以致動擋板或閥，所以這可能導致整個系統(tǒng)發(fā)生故障。
[0005]在該問題的已知解決方案中，電動馬達及隨之的馬達控制以及系統(tǒng)的其他單元的尺寸確定為在較高溫度下滿足轉(zhuǎn)矩要求。因而，馬達的大小選擇為減小的馬達轉(zhuǎn)矩在較高溫度下足以致動擋板或閥?；蛘邠Q句話說，馬達以及其他部件實質(zhì)上過大，從而不僅對于馬達而且對于其他系統(tǒng)部件而言，導致了更高的空間要求以及成本的增加。
[0006]另一種HVAC致動器公開在來自Honeywell的US2010/0123421A1中。致動器包括控制器，其響應于各種傳感器信號來控制馬達的輸出轉(zhuǎn)矩，例如位置傳感器或速度傳感器。
[0007]雖然這種數(shù)字式轉(zhuǎn)矩控制在環(huán)境溫度升高的情況下一般能夠控制轉(zhuǎn)矩，然而表明零件和空間及隨之的成本要求增加，因此需要額外的部件例如傳感器或者復雜的馬達控制器用于其實施。
[0008]同樣來自Honeywell的EP 0895346 A2公開了另外的HAVC致動器，該致動器是兩個位置的彈簧返回致動器并且在高溫下能夠正確地工作。該致動器包括溫度傳感器和PWM(脈寬調(diào)制)控制器，該控制器根據(jù)感測到的溫度來控制向馬達供應電流的電壓。為了補償馬達功率在高溫情況下的降低，如果感測到的溫度超過給定限值，則控制器增大電壓。
[0009]這種致動器也需要復雜并且因此昂貴的控制，并且不允許連續(xù)的溫度依存性電壓控制，而僅允許低于或者高于給定限值的兩個溫度輸入值。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種屬于最開始提及的【技術領域】的致動器，其能夠在寬泛的溫度范圍內(nèi)被操作，但是具有減少的零件、空間和成本要求。本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于這樣的致動器的控制單元。本發(fā)明的進一步的目的是提供一種用于相應地驅(qū)動控制流動通道中的流體流量的調(diào)節(jié)元件的方法。
[0011]本發(fā)明的上述目的的解決方案由權利要求1的特征來明確說明。一種用于驅(qū)動控制流動通道中的流體流量的調(diào)節(jié)元件的致動器包括用于驅(qū)動調(diào)節(jié)元件的電動馬達、和用于控制提供給電動馬達的電流的控制單元，其中在從控制單元至電動馬達的電流路徑中定位有電阻元件。根據(jù)本發(fā)明，電阻元件的電阻具有非線性的溫度依存性。
[0012]電動馬達的輸出轉(zhuǎn)矩主要是經(jīng)過馬達繞組的電流的函數(shù)。響應于變化的溫度，電阻設備由于其溫度依存性電阻以及根據(jù)其溫度系數(shù)，而具有增大或減小的電阻。因而環(huán)境溫度的變化具有兩種相反的效果。升高的溫度例如首先使得馬達繞組中的電流減小。其次，在負溫度系數(shù)的電阻元件的情況下使得電阻元件的電阻減小，并且隨之使得馬達繞組中的電流增大。因此經(jīng)過電阻元件的電流增大平衡馬達中的電流減小。這兩種效果一起產(chǎn)生根據(jù)電阻元件的選擇和特性曲線而較少地變化或者實質(zhì)上恒定的馬達電流。
[0013]在另一個示例中，降低的溫度使得馬達繞組中的電流增大。在正溫度系數(shù)的電阻元件的情況下，其電阻增大，這減小了馬達繞組中的電流。電阻元件的增大的電阻同樣平衡馬達中的電流增大，同樣產(chǎn)生較少變化或者實質(zhì)上恒定的電流。
[0014]在從控制單元至馬達的電流路徑中以任何方式最常見定位具有歐姆電阻的電阻元件，歐姆電阻即具有實質(zhì)上線性溫度依存性的電阻。通過將該電阻元件簡單地修改為具有非線性溫度依存性電阻的電阻元件，使得利用最少的附加空間和零件并且因此是最小的附加成本來實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的。
[0015]在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，在從控制單元至馬達的電流路徑上定位有具有實質(zhì)上指數(shù)型溫度依存性的電阻的電阻元件。
[0016]根據(jù)致動器的具體應用，可以使用具有正溫度系數(shù)的電阻元件。在例如馬達暴露在實質(zhì)上低于其額定運轉(zhuǎn)溫度的溫度下的應用中，可以使用具有正溫度系數(shù)的電阻元件來將馬達電流限制為最大值或者如上所述地保持其恒定。
[0017]然而在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，電阻元件具有負溫度系數(shù)，使得能夠平衡由于升高的環(huán)境溫度而減小的馬達電流。
[0018]存在不同的方式來實施具有期望溫度依存性的電阻元件。例如電阻元件可以通過溫度傳感器、至少一個開關和在電阻網(wǎng)絡中連接的若干個電阻器來獲得，其中每個電阻器都具有線性的溫度依存性。非線性溫度依存性電阻然后可以通過感測溫度并且通過接通或斷開至少一個開關而根據(jù)感測到的不同溫度來激活和/或停用電阻器的不同子集來獲得。該實施的弊端是零件的數(shù)量增加。
[0019]另一種方式是在從控制單元至馬達的電流路徑中直接定位具有負溫度系數(shù)的單個電阻器。然而在某些應用中，不可能找到在額定運轉(zhuǎn)溫度和更高溫度下具有期望電阻的電阻器。
[0020]因此在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，電阻元件包括第一電阻元件和與該第一電阻元件并聯(lián)的具有負溫度系數(shù)的設備。第一電阻元件通常是以任何方式存在于從控制單元至馬達的電流路徑中的電阻器。因此第一電阻元件和設備的大小可以彼此獨立地確定，該構造允許僅利用一個單個附加部件就在運轉(zhuǎn)溫度的整個范圍上獲得期望電阻值。
[0021]還能夠通過簡單地在控制單元至馬達的電流路徑中與已有電阻器并聯(lián)這樣的具有負溫度系數(shù)的設備來改裝或升級已有致動器。
[0022]具有負溫度系數(shù)的設備優(yōu)選地是熱敏電阻，因為不同類型的具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻(簡稱為NTC熱敏電阻)由于合理的成本而容易獲得。這種NTC熱敏電阻以其依存于溫度的電阻的連續(xù)特性為特征，這進一步使得能夠?qū)﹄娮璨⑶译S之對馬達功率進行連續(xù)的溫度依存控制。
[0023]雖然在改裝或升級已有致動器的上述示例中，這種NTC熱敏電阻可以與控制單元分離地設置，然而控制單元和NTC熱敏電阻優(yōu)選為單個電路的一部分。在這方面術語單個電路意味著它們是在單個共同的襯底上實現(xiàn)的，例如像單個印刷電路板或者單個集成電路。因此能夠一起制造控制電路和熱敏電阻，這允許減少致動器的制造步驟的數(shù)量。
[0024]通常，不僅NTC設備可以由熱敏電阻實施，而且第一電阻元件也可以由熱敏電阻實施。然而，由于其簡單性并且由于大多數(shù)已有的致動器設計在從控制單元至電動馬達的電流路徑中以任何方式包括歐姆電阻器，所以第一電阻元件優(yōu)選地實施為歐姆電阻器。
[0025]在某些應用中，不要求馬達電流在整個溫度范圍上滿足額定電流。僅在某個溫度范圍內(nèi)減少電流降低可能是足夠的。
[0026]然而在其他應用中，NTC熱敏電阻的正確大小是關鍵性的。因此在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，NTC熱敏電阻設計為由于環(huán)境溫度升高至110°C _130°C而引起的馬達電流的減小由熱敏電阻的電阻減小平衡至額定運轉(zhuǎn)溫度下的馬達電流的80% -120%的電流，在某些應用中，甚至平衡至額定運轉(zhuǎn)溫度下的馬達電流的95% -110%的電流。
[0027]此外在其他應用中，NTC熱敏電阻在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中設計為由于環(huán)境溫度升高至165°C _185°C而引起的馬達電流的減小被平衡至額定運轉(zhuǎn)溫度下的馬達電流的80% -120%的電流，在某些應用中，甚至平衡至額定運轉(zhuǎn)溫度下的馬達電流的95% -110%的電流。
[0028]通過對電阻元件提供具有不同連接構造的一個或多個進一步的部件，例如歐姆電阻器或溫度依存性電阻器，使得能夠接近電阻元件的電阻的期望特性，并且因此接近馬達轉(zhuǎn)矩的期望特性，例如在整個運轉(zhuǎn)溫度范圍上的實質(zhì)上恒定的馬達的輸出轉(zhuǎn)矩，或者甚至在升高溫度下的略微增加的轉(zhuǎn)矩。
[0029]一般來說，本發(fā)明可以應用于任何電流受控的電動馬達，其中盡管環(huán)境環(huán)境溫度升高或下降，但馬達轉(zhuǎn)矩必須保持大體上恒定。然而，在其他應用中對于控制單元和/或馬達的要求可以顯著地不同，因此本發(fā)明優(yōu)選地應用于HVAC致動器，S卩加熱、通風以及空調(diào)領域的致動器。
[0030]在優(yōu)選的HVAC應用中，致動器的調(diào)節(jié)元件是防火擋板。這種防火擋板通常布置在流動通道中，例如通風管道、通風管/導管等，其中它們用于通過或多或少地打開或關閉通道開口來調(diào)節(jié)通道中的空氣流量。在火災的情況下，非常重要的是在至少預定時間段內(nèi)，盡管環(huán)境溫度升高，但致動器維持其適當?shù)墓δ苄浴＿@使得例如煙、新鮮空氣、水或其他流體能夠從某個區(qū)域或區(qū)排出或推進到某個區(qū)域或區(qū)中。
[0031]在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，待由致動器調(diào)節(jié)的流體流量是空氣流量。雖然本發(fā)明原則上也適用于調(diào)節(jié)液體或任何種類的氣態(tài)流體的流量，但是對于調(diào)節(jié)這種流量的要求可以與用于控制空氣流量的致動器顯著地不同。
[0032]在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，致動器包括齒輪機構。該齒輪機構定位在電動馬達和調(diào)節(jié)元件之間，并將電動馬達的馬達軸的通常旋轉(zhuǎn)輸出運動轉(zhuǎn)換成適當?shù)倪\動，來驅(qū)動用于控制流體流量的調(diào)節(jié)元件。
[0033]在布置在流動通道中并安裝在與流體流量的流動方向垂直的可旋轉(zhuǎn)軸上的擋板或阻力板的情況下，齒輪機構將馬達軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成具有不同旋轉(zhuǎn)速度的軸的旋轉(zhuǎn)運動。雖然齒輪比一般可以取任何(物理上合理的)值，但是齒輪機構優(yōu)選地設計為具有低于I的齒輪比的減速齒輪。齒輪比優(yōu)選地顯著地低于1，即低于0.01或甚至更低，以便將馬達軸的高速的通常低轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成擋板的低速的高轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)運動。
[0034]在根據(jù)本發(fā)明的致動器的一些實施例中，馬達用來向兩個方向驅(qū)動調(diào)節(jié)元件，SP打開和關閉流動通道。在其他實施例中，致動器優(yōu)選地包括用于使調(diào)節(jié)元件返回到缺省位置的重置元件。雖然馬達向第一方向驅(qū)動調(diào)節(jié)元件，但是重置元件向相反方向驅(qū)動調(diào)節(jié)元件。在這種情況下，馬達可以包括單向離合器。在其他應用中，馬達用來向兩個方向驅(qū)動調(diào)節(jié)元件，而重置元件僅在緊急情況下使用，從而例如在電力或馬達發(fā)生故障的情況下，使調(diào)節(jié)元件返回到若干個可能缺省位置中的特定位置或一個位置。
[0035]重置元件例如可以是彈性材料，例如橡膠、液壓部件或氣動部件、一個或多個彈簧等。并且重置元件可以布置為例如在馬達輸出處、在齒輪處(如果可用的話)、在調(diào)節(jié)元件處或之間的任何位置，接合從馬達到調(diào)節(jié)元件的驅(qū)動路徑。
[0036]本發(fā)明的另一個目的的解決方案是通過權利要求14的特征來明確說明的。一種控制單元，用于控制提供給致動器的電動馬達的電流，致動器用于驅(qū)動控制流動通道中的流體流量的調(diào)節(jié)元件，控制單元包括定位在從控制單元至電動馬達的電流路徑中的電阻元件。根據(jù)本發(fā)明，所述電阻元件具有溫度依存性電阻。
[0037]在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，包括待由根據(jù)本發(fā)明的控制單元控制的馬達的致動器是之前所描述的致動器。
[0038]本發(fā)明的另一個目的的解決方案是通過權利要求15的特征來明確說明的。在通過向電動馬達提供由控制單元控制的電流來利用電動馬達驅(qū)動控制流動通道中的流體流量的調(diào)節(jié)元件的方法中，在從控制單元至電動馬達的電流路徑中提供電阻元件。根據(jù)本發(fā)明，在從控制單元至電動馬達的電流路徑中提供具有溫度依存性電阻的電阻元件。
[0039]在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，根據(jù)本發(fā)明的方法是利用上面描述的控制單元或致動器來執(zhí)行的。
[0040]上文和以下描述或示出的所有示例和附圖并不旨在限制本發(fā)明的范圍，而僅僅表示本發(fā)明的例示性實施例。
[0041]從以下的詳細描述和權利要求整體可以清楚其他有利的實施例及特征的組合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]用于說明實施例的附圖示出了:
[0043]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的致動器的示意圖；
[0044]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個致動器的示意圖；
[0045]圖3示出了在本發(fā)明中使用的電阻元件的特性曲線的示意圖；[0046]圖4示出了具有根據(jù)本發(fā)明的致動器的HVAC系統(tǒng)的示意圖。
[0047]在附圖中，對相同的部件給予相同或相應的參考符號。
優(yōu)選實施例
[0048]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的致動器I的示意圖。致動器I包括控制器2、電阻元件3及電動馬達4，電阻元件3實施為NTC熱敏電阻，即具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻。因而，電阻元件3的電阻隨著熱敏電阻的溫度升高而減小。
[0049]圖3定性地示出了 NTC熱敏電阻的溫度/電阻的特性12的示意圖。X軸10從左到右表示熱敏電阻的溫度升高，Y軸11從下到上表示熱敏電阻的電阻增大。如本領域中公知的那樣，NTC熱敏電阻的電阻示出了指數(shù)型下降特性。熱敏電阻的電阻Rt在絕對溫度T下
根據(jù)等式1 = R n.e 令I來確定。其中，1是熱敏電阻的額定溫度(通常為25°C，
這意味著298.16Kelvin)，Rn是額定溫度下以歐姆表示的熱敏電阻的額定電阻，并且其中B是熱敏電阻的材料常數(shù)并且確定為材料的激活能和波爾茲曼常數(shù)的比值。
[0050]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個致動器I’的示意圖。在該示例中，電阻元件3’包括電阻器5和與電阻器5并聯(lián)的NTC熱敏電阻6。如已知的那樣，在電阻器5具有電阻Rl并且熱敏電阻6具有電阻R2的情況下，電阻元件3’的總電阻Rtot如下確定:
[0051]
【權利要求】
1.一種致動器(I)，用于驅(qū)動控制流動通道(29)中的流體流量的調(diào)節(jié)元件(30)，該致動器(I)包括用于驅(qū)動所述調(diào)節(jié)元件(30)的電動馬達(4)和用于控制提供給所述電動馬達⑷的電流的控制單元(2)，其中在從所述控制單元⑵至所述電動馬達⑷的電流路徑中定位有電阻元件(3)，其特征在于，所述電阻元件(3)的電阻具有非線性溫度依存性，特別地具有大致指數(shù)型溫度依存性。
2.根據(jù)權利要求1所述的致動器，其中所述電阻元件(3)具有負溫度系數(shù)。
3.根據(jù)權利要求2所述的致動器，其中所述電阻元件包括第一電阻元件(5)和與所述第一電阻元件(5)并聯(lián)的具有負溫度系數(shù)的設備(6)。
4.根據(jù)權利要求3所述的致動器，其中所述設備是熱敏電阻(6)。
5.根據(jù)權利要求3所述的致動器，其中所述控制單元(2)和所述設備(6)是單個電路的一部分。
6.根據(jù)權利要求3所述的致動器，其中所述第一電阻元件是歐姆電阻器(5)。
7.根據(jù)權利要求4所述的致動器，其中所述熱敏電阻(6)設計為，由于環(huán)境溫度升高至110°C -130°C而引起的馬達電流的減小由所述熱敏電阻的電阻減小平衡至額定運轉(zhuǎn)溫度下的馬達電流的80% -120%范圍內(nèi)的電流，特別地平衡至額定運轉(zhuǎn)溫度下的馬達電流的95% -110%范圍內(nèi)的電流。
8.根據(jù)權利要求7所述的致動器，其中所述環(huán)境溫度升高至165°C_185°C被平衡至額定運轉(zhuǎn)溫度下的馬達電流的80% -120%范圍內(nèi)的電流，特別地平衡至額定運轉(zhuǎn)溫度下的馬達電流的95% -110%范圍內(nèi)的電流。
9.根據(jù)權利要求1-7中任意一項所述的致動器，其中該致動器是加熱、通風和空調(diào)領域的致動器⑴。
10.根據(jù)權利要求1-7中任意一項所述的致動器，其中所述調(diào)節(jié)元件是防火擋板(30)。
11.根據(jù)權利要求1-7中任意一項所述的致動器，其中所述流體流量是空氣流量。
12.根據(jù)權利要求1-7中任意一項所述的致動器，該致動器包括定位在所述電動馬達(4)和所述調(diào)節(jié)元件(30)之間的齒輪機構(28)，其中該齒輪機構(28)特別地設計為減速齒輪。
13.根據(jù)權利要求1-7中任意一項所述的致動器，其中該致動器包括用于使所述調(diào)節(jié)元件(30)返回到缺省位置的重置元件(32)。
14.一種控制單元，用于控制提供給致動器的電動馬達的電流，所述致動器用于驅(qū)動控制流動通道中的流體流量的調(diào)節(jié)元件，特別是根據(jù)權利要求1-13中任意一項所述的致動器，其中所述控制單元包括電阻元件，該電阻元件定位在從所述控制單元至所述電動馬達的電流路徑中，其特征在于，所述電阻元件具有溫度依存性電阻。
15.一種通過向電動馬達提供由控制單元控制的電流來利用所述電動馬達驅(qū)動控制流動通道中的流體流量的調(diào)節(jié)元件的方法，在從所述控制單元至所述電動馬達的電流路徑中提供電阻元件，其特征在于，在從所述控制單元至所述電動馬達的電流路徑中提供具有溫度依存性電阻的電阻元件。
【文檔編號】H02P29/00GK103688463SQ201280017105
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年3月29日 優(yōu)先權日:2011年4月5日
【發(fā)明者】R·科斯特勒, H·伯格曼恩, P·圖爾 申請人:貝利莫控股公司