本申请总体上涉及对流量控制致动器的改进。更具体地，本公开涉及与能够在电力失去时将输出端驱动至故障安全位置的电动致动器有关的改进。
背景技术：
通常，电动致动器用于工业应用中来控制比如阀、门等设备的定位。在化工、石油、天然气和相关工业中，致动器用于控制从一个位置至另一个位置的液体流动。例如，在锅炉相关应用中，可以通过流量控制阀来控制到达涡轮机的杆流量。在某些情况下，危险化学品的流可以被控制成从一个位置至另一个位置。在这样的应用中，为了防止燃料失去和/或污染的不良影响，可能需要在比如电力失去的紧急情况下终止流体流。
致动器技术可以设计成在电力失去时具有故障安全特征。当电力失去或其他外部故障状态使得致动器将阀移动至预定位置时，致动器中的故障安全特征可以在没有外部电力的情况下被启用。已经有若干种方法实现故障安全致动。一些方法涉及能量储存技术，比如用于将阀或阻尼器移动至某个预定位置——比如关闭位置——的弹簧。例如，在美国专利No.6,431,317中，故障安全致动方法包括用于传递储存在弹簧中的势能以实现期望的输出的传动装置和凸轮-离合器系统。然而，这样的传动系统占用大量体积、需要高扭矩，该传动系统是复杂的且容易发生故障。
技术实现要素：
根据本公开的实施方式，提供了一种具有故障安全操作模式的电动致动器。该电动致动器包括：第一驱动源，该第一驱动源通过由传动装置创建的第一路径联接至输出端；第二驱动源，该第二驱动源通过由传动装置创建的第二路径联接至输出端，第二驱动源在电动致动器失去供应至该电动致动器的电力时，使输出端定位在故障安全位置处。差速器通过由传动装置创建的第三路径联接至第一驱动源和第二驱动源，使用该差速器将来自第一驱动源的能量储存在第二驱动源中。电动致动器还包括切换控制器，该切换控制器配置成对传动装置在第一路径、第二路径与第三路径之间的切换进行控制。
此外，根据本公开的实施方式，提供了一种用于驱动电动致动器的方法。该方法包括：向第一驱动源供应电力，该第一驱动源联接至差速器，该差速器对联接至输出端或第二驱动源的传动装置进行控制；使电动致动器的第一制动器断开接合并且使电动致动器的第二制动器接合以建立第一路径，该第一路径使第一驱动源驱动差速器，从而使传动装置驱动输出端。该方法还可以包括：在供应至电动致动器的电力失去时，使电动致动器的第一制动器和第二制动器均断开接合以建立第二路径，该第二路径使第二驱动源驱动差速器，从而使传动装置驱动输出端；以及使第一制动器接合并且使第二制动器断开接合以建立第三路径，该第三路径使第一驱动源驱动差速器，从而使传动装置驱动第二驱动源。
说明性实施方式的前述总体描述和其以下详细描述仅仅是本公开的教示的示例性方面，而非限制性的。
附图说明
将参照以下附图对作为示例提出的本公开的各种实施方式进行详细描述，其中，相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中：
图1是根据本公开的实施方式的电动致动器的示例性框图。
图2是根据本公开的实施方式的示例性电动致动器的立体图。
图3示出了根据本公开的实施方式的电动致动器的示例性差速器的分解图。
图4示出了根据本公开的实施方式的电动致动器的示例性第一制动器的分解图。
图5A示出了根据本公开的实施方式的处于断电状态的第一制动器。
图5B示出了根据本公开的实施方式的处于通电状态的第一制动器。
图6示出了根据本公开的实施方式的连接至传动装置的示例性第二制动器。
图7示出了根据本公开的实施方式的电动致动器的示例性能量储存模式。
图8示出根据本公开的实施方式的电动致动器的示例性正常操作模式。
图9示出了根据本公开的实施方式的电动致动器的示例性故障安全模式。
图10是根据本公开的实施方式的电动致动器的示例性切换过程的流程图。
图11是根据本公开的实施方式的具有机械止动附件的电动致动器的示例。
具体实施方式
以下结合附图阐述的描述意在作为对所公开的主题的各种实施方式的描述，而不一定意在表示唯一的实施方式。在某些情况下，出于提供对所公开的实施方式的理解的目的，该描述包括特定的细节。然而，对于本领域技术人员明显是，可以在没有这些具体细节的情况下实践所公开的实施方式。在一些情况下，为了避免难以理解所公开的主题的概念，可以以框图的形式示出公知的结构和部件。
图1是根据本公开的实施方式的电动致动器10的框图。电动致动器10可以包括第一驱动源100、差速器200、第二驱动源400、输出端300、第一制动器500以及第二制动器600。第一驱动源100可以是电动马达，该电动马达通过差速器200和输出端齿轮系(图1中未示出)驱动输出端300。电动马达可以通过差速器200和弹簧齿轮系(图1中未示出)驱动第二驱动源400，比如弹簧。作为第二驱动源400，弹簧可以在电动马达的动力失去时驱动输出端300。通过根据需要启用和停用第一制动器500和第二制动器600，可以使在不同驱动源与输出端300之间的切换成为可能。
第一驱动源100可以是能够驱动系统并向副驱动源供应能量的任何装置。第一驱动源可以通过电力、机械动力、磁场、液压动力等来操作。例如，第一驱动源100可以是电驱动直流(DC)马达。应当理解的是，马达可以是各种类型的，包括永磁DC马达，该永磁DC马达包括在磁定子内旋转的电枢。DC马达可以是速度固定的马达或变速马达。马达速度控制可以以各种方式进行控制，比如通量控制、电枢控制和电压控制。
在示例性实施方式中，差速器200包括安装在壳体中的多个锥齿轮。例如，差速器200可以包括四个锥齿轮，所述四个锥齿轮布置成使得两个锥齿轮绕竖向轴线旋转，而其余两个锥齿轮绕水平轴线旋转。锥齿轮中的一个锥齿轮可以通过马达旋转，并且旋转可以进一步传递至其他锥齿轮或壳体。此外，锥齿轮中的一个锥齿轮可以被固定成获得壳体处的旋转速度、旋转方向和扭矩的不同组合。壳体可以配装有外部齿轮以进一步传递壳体的旋转。例如，外部齿轮可以通过输出端齿轮系连接至输出端300以驱动输出端300。壳体的外部齿轮还可以通过弹簧齿轮系连接至弹簧400以将弹簧400旋转成压缩。
第二驱动源400可以是能够储存能量并根据需要或在电力失去时为了驱动系统而供应能量的任何装置。例如，第二驱动源400可以是弹簧、电池、压缩空气等。在一个实施方式中，第二驱动源400是弹簧，该弹簧储存来自马达(第一驱动源100)的能量并且用于在供应至第一驱动源100的电力失去时供应能量以驱动传动系统。应当理解的是，弹簧的类型很多，比如压缩弹簧和径向弹簧等。当处于压缩状态时，弹簧以势能的形式储存能量。替代性地，也可以使用不同的第二驱动源400，比如压缩空气、飞轮和电池等。
弹簧和输出端300的旋转可以分别使用制动器比如第一制动器500和第二制动器600来阻止。制动器可以根据需要同时操作或按顺序操作。在一个实施方式中，制动器可以是电磁装置，比如可以由控制器控制的螺线管。电磁制动器在电源打开或关闭时可以停止载荷或保持载荷。替代性地，制动器可以是弹簧操作或手动操作的。此外，制动器可以根据需要自动或手动地启用。
根据在第一驱动源100、第二驱动源400和输出端300之间产生的路径，电动致动器10可以具有不同的操作模式。例如，在第一操作模式(也称为正常操作模式)中，马达(第一驱动源100)可以驱动输出端300，而弹簧(第二驱动源400)可以借助于第二制动器600保持就位。在第二操作模式(也称为能量储存模式)中，马达可以驱动弹簧，而输出端可以借助于第一制动器500保持就位。在第三操作模式(也称为故障安全模式)中，电动致动器10经历电力失去并且弹簧可以驱动输出端300。
不同的操作模式可以由切换控制器700控制。切换控制器700可以根据需要来启用或停用第一制动器500和第二制动器600。此外，切换控制器700可以控制对第一驱动源100的电力供应。可选地，切换控制器700可以计算并控制储存在第二驱动源400中的能量的量。
图2是根据本公开的实施方式的示例性电动致动器的立体图。电动致动器10包括电动马达101，该电动马达101附接有马达齿轮箱120，马达齿轮箱120包括用以将电动马达101的速度调节至期望水平的第一传动装置。马达齿轮箱120可以连接至差速器200的驱动轴201(在图3中示出)，以进一步将运动传递至弹簧401或输出端300。在某些实施方式中，电动马达101可以直接连接至差速器200。
差速器200包括具有外部托架齿轮210的托架205。托架齿轮210可以使弹簧齿轮系450旋转，从而使得弹簧轴410压缩弹簧401。当弹簧401被压缩时，弹簧401对在电动致动器10的电力失去的情况下可用于驱动输出端300的势能进行储存。
通过使第二制动器600接合，可以将弹簧401保持在压缩状态中。第二制动器600可以连接至弹簧齿轮系450。第二制动器600可以阻止弹簧齿轮系450的运动，由此使弹簧401锁定在压缩状态中。当第二制动器600被断开接合时，弹簧401可以使弹簧齿轮系450进一步将运动传递至差速器200。
在本公开中，弹簧401可以构造成在沿顺时针方向旋转时压缩，并且在沿逆时针方向旋转时解压缩，从而使得输出端300在电力失去时定位成处于预定的故障安全状态。故障安全状态可以是关闭的阀位置或打开的阀位置。在不同的实施方式中，弹簧401可以构造成在沿逆时针方向旋转时压缩，并且在沿顺时针方向旋转时解压缩。
弹簧401可以是扭转弹簧，该扭转弹簧当扭力施加在弹簧的一个端部处时扭转。例如，通过旋转弹簧轴410来施加扭力。在另一实施方式中，可以应用不同类型的弹簧和相应的压缩机构来储存势能。例如，螺旋弹簧可以通过在该螺旋弹簧的顶部上安置滚珠螺杆或板状物并转动滚珠螺杆或通过绳索拉动板状物而压缩。在另一实施方式中，可以开发一种气体弹簧布置——比如连接至气缸内的活塞的弹簧——来压缩弹簧。
差速器200可以安装有差速器小齿轮250以驱动输出端300。差速器小齿轮250可以由电动马达101或弹簧401驱动。差速器小齿轮250可以通过输出端齿轮系350驱动输出端300。如可能期望的那样，输出端齿轮系350可以连接至第一制动器500以阻止输出端300的旋转。
图3示出了根据本公开的实施方式的差速器的分解图。差速器200包括多个锥齿轮B1至B4、托架205和托架齿轮210。多个锥齿轮B1至B4可以构造成使得锥齿轮B1和B4可以绕竖向轴线旋转，而锥齿轮B2和B3可以绕水平轴线旋转。此外，锥齿轮B1可以固定至作为差速器200的输入的驱动轴201。锥齿轮B4可以固定至作为差速器200的输出端的从动轴207。多个锥齿轮B1至B4在托架205内啮合在一起。一个或更多个锥齿轮B1至B4的旋转可以被阻止以引起托架205的旋转。例如，假定锥齿轮B4被固定并且驱动轴201沿逆时针方向旋转，然后，锥齿轮B1的旋转将力施加至处于啮合的锥齿轮B2和B3上。力的切向分量导致锥齿轮B2和B3沿相反方向(即，顺时针方向)旋转。由于锥齿轮B4被固定，因此作用在锥齿轮B2和B3上的力的切向分量使得托架205沿顺时针方向旋转。当锥齿轮B2和B3被停止时，差速器200的所有齿轮都被锁定。
托架205的形状可以呈大致柱形并且包括中空部分，多个锥齿轮B1至B4可以组装在该中空部分内。托架205可以配装有顶板225以支承锥齿轮B1并且覆盖托架205的顶侧部上的开口。托架205可以包括沿着圆周的孔以支承锥齿轮B2和B3。锥齿轮B1至B4可以分别配装有轴承231至234，以支承并允许锥齿轮B1至B4的自由旋转。锥齿轮B1至B4在托架205的中空部分内自由旋转。可以使用紧固件比如定位销215和217以及螺杆219和221使托架205与托架齿轮210形成一体或使托架205固定至托架齿轮210。托架齿轮210封围托架205的底侧部上的开口。
图4示出了根据本公开的实施方式的电动致动器10的示例性第一制动器500的分解图。第一制动器500可以是限制或防止旋转部件比如轴和齿轮等的运动的任何装置。例如，本公开中的第一制动器500可以被接合以便防止输出端齿轮301旋转。例如，第一制动器500可以包括螺线管制动器、气动制动器、液压制动器、基于连杆的制动器和/或电磁制动器。在图4中，第一制动器500包括具有螺线管轴503的第一螺线管501、杆505、输出端制动器520、制动器壳体530、支架535以及制动器弹簧537。第一螺线管501可以安装在支架535上。第一螺线管501的螺线管轴503可以连接至杆505的一个端部，并且输出端制动器520可以连接至杆505的另一个端部。杆505可以由枢转螺杆531铰接在制动器壳体530中。这样，杆505可以围绕枢转螺杆531枢转。此外，可以使用紧固件比如螺杆、螺柱和铆钉等来连接不同的部件。
杆505可以呈大致L形，其中，一条腿比另一条腿短。在杆505的长腿的第一端部处，可以设置螺线管槽507以借助于滚销510紧固螺线管轴503。在杆505的短腿的第二端部处，可以设置制动器槽511以使用滚动销525来紧固输出端制动器520。在杆505的拐角处，可以设置枢转孔509以连接至枢转螺杆531。
杆505的L形提供了机械优点。当在螺线管槽507处施加力时，杆505围绕枢转螺杆531枢转，从而将力传递至制动器槽511。当力施加在杆500的长腿的第一端部(螺线管槽507)处时，传递至杆505的短腿的第二端部(制动器槽511)的力大于所施加的力。
输出端制动器520可以是实心矩形块，该实心矩形块在一个端部处具有杆槽521并且在另一个端部处具有齿522。杆槽521的宽度大于或大致等于杆505的短腿的厚度。杆505可以被导引通过杆槽501并且使用穿过输出端制动器520中的孔523和杆505的制动器槽511的滚动销525将杆505连接至输出端制动器520。
制动器壳体530包括两个槽——块槽520s和L形槽505s——以允许分别安装输出端制动器520和杆505。杆505可以被导引到制动器壳体530的L形槽505s中并且通过使枢转螺杆531滑动穿过制动器壳体530和杆505的枢转孔509而铰接。输出端制动器520连接至杆505的短腿并可以自由地滑入和滑出块槽520s。
图5A示出了根据本公开的实施方式的处于断电状态的第一制动器500。第一制动器500可以通过切换控制器700(图5A中未示出)通电和断电。在断电状态下，输出端制动器520可以与能够联接至输出端齿轮301的小齿轮齿轮组550断开接合，从而允许输出端齿轮301自由旋转。小齿轮齿轮组550包括花键555和固定至第一小齿轮轴565的第一小齿轮560。花键555可以联接至输出端制动器520并且第一小齿轮560可以联接至输出端齿轮301。
当第一螺线管501断电时，螺线管轴503延伸，该螺线管轴503推动杆505，使得输出端制动器520在制动器壳体530内部滑动，由此使输出端制动器520与花键555断开接合。制动器弹簧537可以促进螺线管轴503的延伸，该制动器弹簧537可以处于压缩状态，并放置在杆505上方。
图5B示出了根据本公开的实施方式的处于通电状态的第一制动器500。在通电状态下，输出端制动器520可以与小齿轮齿轮组550的花键555接合，从而限制输出端齿轮301的旋转。当第一螺线管501被通电时，螺线管轴503缩回，同时向上拉动杆505，使得输出端制动器520滑动到制动壳体530的外部，由此将输出端制动器520接合至花键555。此外，拉动杆505导致制动弹簧537压缩。
图6示出了根据本公开的实施方式的联接至弹簧齿轮系450的示例性第二制动器600。第二制动器600可以是限制或防止旋转部件比如轴和齿轮等的运动的任何装置。本公开中的第二制动器600防止弹簧轴410的旋转。例如，第二制动器600可以包括电枢602和联接至第二小齿轮轴603的毂601。第二小齿轮轴603可以附接至第二小齿轮605，该第二小齿轮605联接至弹簧齿轮系450。第二制动器600可以是电磁制动器比如通电制动器，该通电制动器可以在电力供应时保持载荷并且在电力失去时释放载荷。
当线圈604通电时，第二小齿轮轴603被锁定在电枢601和毂601组件内部，从而使得第二小齿轮605限制弹簧齿轮系450和弹簧轴410的旋转。另一方面，当线圈604断电时，第二小齿轮轴603从电枢602和毂601组件解锁，从而使得第二小齿轮605自由旋转。换句话说，当没有电力施加至第二制动器600或在第二制动器600处存在电力失去时，第二小齿轮605可以自由旋转。这样，在第二制动器600的断电状态下，弹簧齿轮系450和弹簧轴410可以自由旋转。
图7示出了以最大势能模式示出的根据本公开的实施方式的电动致动器的能量储存模式。在能量储存模式中，马达101可以通过传动装置的第三路径向弹簧401供应能量。在第三路径中，马达101通过马达齿轮箱120驱动差速器200，使得托架齿轮210驱动弹簧齿轮系450，以旋转连接至弹簧401的弹簧轴410。随着弹簧轴410旋转，弹簧401压缩以储存势能。所储存的能量的量应当足以驱动输出端齿轮系350，以使输出端300在电力失去时定位成处于故障安全状态中。
在马达101驱动弹簧401的同时，第一制动器500可以被接合以防止联接至输出端300的输出端齿轮系350旋转并防止差速器200的差速器小齿轮250旋转。此外，第二制动器600可以被断开接合以允许弹簧齿轮系450旋转。
弹簧轴410的旋转数可以与储存在弹簧401中的能量的量相关。例如，储存在弹簧401中的能量的量可以使用以下用于扭转弹簧的能量方程1来计算。
其中，U是以焦耳表示的所储存的能量，k是以牛顿米/弧度表示的弹簧常数，并且θ是以弧度表示的转数。
在另一实施方式中，需要储存在弹簧401中的能量的量可以通过实验预先确定。可以设计实验来改变不同的参数，比如弹簧类型、弹簧刚度和弹簧轴的旋转数等。基于实验，可以使用参数的最佳组合来选择合适的弹簧和旋转数。
图8示出了根据本公开的实施方式的电动致动器的正常操作模式。在正常操作模式下，马达101可以通过传动装置的第一路径向输出端300供应能量。在第一路径中，马达101通过马达齿轮箱120驱动差速器200，从而使得差速器小齿轮250驱动输出端齿轮系350以旋转输出端300。此外，在马达101驱动输出端300的同时，第一制动器500被断开接合以允许联接至输出端300的输出端齿轮系350旋转，并且第二制动器600被接合以防止联接至弹簧401的弹簧齿轮系450旋转。
图9示出了根据本公开的实施方式的电动致动器的故障安全模式。故障安全模式可以在电力失去时被触发。在故障安全模式中，弹簧401可以通过传动装置的第二路径向输出端300供应能量。在第二路径中，弹簧401驱动差速器200的托架齿轮210，这又驱动联接至输出端300的输出端齿轮系350，从而使输出端300定位在预定的故障安全位置中。预先确定的故障安全位置可以打开或关闭。此外，在弹簧401驱动输出端300的同时，第一制动器500被断开接合以允许输出端齿轮系350旋转，并且第二制动器600被断开接合以允许弹簧齿轮系450旋转。尽管弹簧齿轮系450驱动差速器200，但是由于马达101的内部制动能力，旋转不会传递至马达101。在另一实施方式中，外部制动器可以联接至马达101以防止马达101在第二路径中的旋转。
图10是根据本公开的实施方式的电动致动器10的示例性切换过程1000的流程图。过程1000可以在切换控制器700中实施，以使电动致动器10中的不同路径之间的切换自动化。过程1000在输出端300连接至元件比如蝶形阀并且电力供应打开时开始。在步骤S10中，可以将电力供应至第一驱动源100。例如，可以将电力供应至电动致动器10的马达101，从而使得马达101和马达齿轮箱120旋转。在步骤S12中，可以使第一制动器500接合并且可以使第二制动器600断开接合。如关于图4和图5B所讨论的，可以通过启用第一螺线管501而使第一制动器500接合。可以通过切断对线圈604的电力供应而使第二制动器600断开接合。使第二制动器600断开接合允许弹簧401被卷绕以将供应至马达101的能量以势能的形式储存到弹簧401(第二驱动源400)中。
在步骤S14中可以计算储存在第二驱动源400中的能量的量。例如，能量的量可以使用方程1来确定，或者可以通过实验预先确定，如关于图7所讨论的。替代性地，传感器475可以安装在弹簧轴410上以计算旋转数或弹簧轴410上的载荷比如扭转载荷。传感器475可以将信号传输至切换控制器700。可以通过实验预先确定旋转数或载荷并使旋转数和载荷与储存在弹簧401中的能量的量相关联。替代性地，旋转数或载荷可以与将输出端300定位在故障安全位置中所需的旋转量或载荷相关联。例如，为了从打开位置关闭阀，输出端300可能必须旋转10次。为了实现输出端300的10次旋转，弹簧轴410可能必须旋转至少25次。这样，当弹簧轴旋转至少25次时，控制器可以执行下一步骤S16。
在步骤S16中，可以确定是否已经达到能量阈值。能量阈值对应于将输出端300驱动至故障安全位置所需的至少一定量的能量。如果未达到能量阈值，则马达101继续卷绕弹簧401，并且可以执行步骤S14中的过程直到达到能量阈值为止。
一旦达到能量阈值，就可以关闭对第一驱动源100的电力供应，并且可以使第一制动器500和第二制动器600均接合。在步骤S18中，当对第一驱动源100的电力供应被重新打开时，可以使第一制动器500断开接合并且可以使第二制动器600接合。可以通过切断对第一电磁线圈501的电力供应而使第一制动器500断开接合，由此导致输出端制动器520与联接至输出端齿轮系350的小齿轮齿轮组550断开接合，如关于图4和图5A所讨论的。
在步骤S20中，可以确定电动致动器10是否已经失去电力。如果没有失去电力，则控制器可以继续检测电力失去。替代性地，控制器可以继续执行步骤18中的过程。另一方面，如果电力失去，则在步骤S22中，可以使第一制动器500断开接合并且可以使第二制动器60断开接合0。如前所述，可以使第一螺线管501断开接合。可以由于对线圈604的电力供应的失去而使第二制动器600断开接合。使第一制动器500和第二制动器600均断开接合允许弹簧401(第二驱动源400)将输出端300驱动至故障安全位置。
图11是根据本公开的实施方式的附接有机械止动件20的电动致动器10的示例。在图11中，电动致动器10安装在覆盖件12内部。电动致动器10可以包括位于电动致动器10内部或外部的一个或更多个附件。例如，机械止动件20或限位开关可以在内部或外部附接至电动致动器10。
机械止动件20可以是设计成在限位开关(未示出)故障的情况下防止电动致动器10超程并且可能防止损坏电动致动器10或可能防止损坏连接至电动致动器10的阀(未示出)的任何装置。电力故障时由于弹簧401的解绕可以导致阀超程。机械止动件20可以设定阀旋转的极限(或一般行程)。例如，阀的旋转(或行程)可以限制为约0°至90°(±10°)。机械止动件20可以安装在电动致动器10与阀支架(未示出)之间。在不同的实施方式中，机械止动件20可以安装在电动致动器10的内部，例如连接至弹簧轴410。
在以上描述中，流程图中的任何过程、描述或框图应当被理解为表示包括用于实施过程中的特定逻辑功能或步骤的一个或更多个可执行指令的代码的模块、区段或部分，并且替代性实施方式包括在本改进的示例性实施方式的范围内，其中，功能可以不以所示出或所讨论的顺序执行，包括基本上同时地或以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能，如将由本领域技术人员所理解的。
尽管已经描述了某些实施方式，但是这些实施方式仅以示例的方式呈现，而非意在限制本公开的范围。实际上，本文中所描述的新颖的方法、装置和系统可以以各种其他形式来体现；此外，在不脱离本公开的精神的情况下，可以对本文中所描述的方法和装置的形式作出各种省略、替换和改变。所附权利要求书及其等同物意在涵盖落入本公开的范围和精神内的这些形式或改型。例如，该技术可以被构造成用于云计算，由此单个功能经由网络在多个装置之间共享并协作处理。