專利名稱：電磁離合器、機電致動器及渦輪機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于機電致動器的電磁離合器。本發明進一步涉及一種用于閥門的機電致動器，該閥門包括一閥門活塞和一電機。本發明還涉及一種渦輪機，尤其涉及一種具有閥門的蒸汽渦輪機，該閥門用于調節流體流量，并設有一閥門活塞與機電致動器相連接。
背景技術：
渦輪機，特別是蒸汽渦輪機，通常設有很多閥門，這些閥門可被用作一次蒸汽閥、截止閥或者分流閥。各閥門的開啟位可實現對相應的進料量或進汽量進行調節的目的，而閥門的開啟位通常是借助于一傳動元件，特別是閥門致動器中的一個零件來調節的，該傳動元件被配置到相應的閥門上。就調節力和調節速度而言，對閥門規格的要求應當特別高。為確保閥門的安全運轉或者關閉，尤其是當蒸汽渦輪機緊急停機時能夠如此，閥門可采取油壓驅動伺服閥的配置形式，從而為其配置的每個致動器中均無一例外地設有一油壓裝置，該油壓裝置或是包括一中央式液壓供應系統，或是包括如同歐洲專利申請EP0040732A1中所述的分布式液壓供應系統。因為電機在穩定性和動量方面得到了改進，所以用來調節介質的注入壓力和/或注入量的伺服閥，也可用于涉及諸如原子能工廠、化工廠一類的工廠，例如像德國專利申請DE-OS1937198中所描述的那樣。該申請文件中所述的伺服閥具有一推桿，其上固定有閥門座。推桿通過一可繞中心支點旋轉的橫桿與伺服電機連接。采用這一方式，即可通過閥門來調節介質注入量。推桿由一復位彈簧夾緊。
在申請文件EP0230849A1中描述了一種伺服閥和一種斷流閥。該伺服閥設有一可軸向移動的鎖定體，還設有一可沿軸向拉伸的活塞。該活塞設置為直齒條結構，該直齒條與另一推桿的縱向傳動裝置保持接觸。將推桿圍繞其軸線旋轉，即可使鎖定體沿軸向移動。而推桿的旋轉是通過電機、借助于推桿端部的另一組齒輪嚙合來完成的。
在申請文件DE4446605A1中描述了一種用于蒸汽渦輪機的閥門，該閥門具有一閥軸，緊靠該閥軸設置一密封座。該閥軸由一電機驅動，而該電機通過一電磁驅動的聯軸節與閥軸連接。為實現閥門的自動伺服關閉，閥門中設置了一個板簧系統。
國際申請WO98/13633A1公開了一種用于渦輪機閥門的致動器，該閥門的開啟位可通過連接桿進行調整，從而確保閥門的無干擾運行和極低的火災危險。該致動器包括一用于驅動連接桿的電機，連接桿通過一齒條齒輪系統以及一電磁齒式聯軸節與電機連接。
國際公開文本WO99/49250A1描述了一種用于閥門，尤其是用于蒸汽渦輪機閥門的機電致動器。該致動器設有一連接桿和驅動該連接桿的電機。連接桿通過一傳動裝置與電機連接，該傳動裝置產生一扭矩，扭矩的大小可隨連接桿的軸向位移量而變化。連接桿與一曲柄盤連接，而曲柄盤自身又通過一齒式聯軸節與電機連接。
發明內容
本發明的一個目的是為機電致動器提供一種節省空間、動作快捷并且非常廉價的電磁離合器。本發明的另外一個目的是提供一種機電致動器，用于閥門和渦輪機，尤其是蒸汽渦輪機，該蒸汽渦輪機具有一用以調節流體流量大小的閥門，這種調節是通過一機電致動器來操縱的。
考慮到上述目的和其他目的，本發明提供了一種電磁輻射板離合器，用于機電致動器，尤其是用于閥門的機電致動器。該電磁離合器包括一轉子，該轉子具有一轉軸和一具有至少一凹槽的圓周外表面。一圓筒形元件環繞該轉子，且至少一個薄板元件固定在該圓筒形元件上，而薄板元件設有一插入部分以將其置入凹槽內。
電磁離合器還包括一線圈，用于將至少一個薄板元件保持在凹槽內。優選地，電磁離合器包括若干輻射狀薄板，該薄板為近乎平面狀的單層彈性薄板，設置于圓筒形元件和轉子之間。優選地，薄板元件的一端緊固于圓筒形元件內，而另一端設有一插入部分，其在線圈產生的電磁場電磁力的作用下被置于凹槽中。插入部分置于凹槽內時，電磁離合器即處于運行狀態，所以通過與電機相聯的轉子的旋轉，即可迫使圓筒形元件隨之旋轉。圓筒形元件的旋轉運動可轉換成閥門活塞桿的軸向運動。
根據本發明的另一項技術特征，至少一個薄板元件經過預壓，從而將插入部分以機械方式插入凹槽。通過預壓薄板元件可使插入部分在通常狀態下一直置于凹槽內，并因由線圈產生的電磁力作用于其上而與凹槽緊密相鄰。一旦線圈的電路斷開時，例如當蒸汽渦輪機隨其所需閥門的立即關閉而停止運轉時，則將插入部分吸住并保持在凹槽內的電磁力便隨之消失。因此通過轉子旋轉，插入部分被迫脫離凹槽，而轉子和圓筒形元件之間的適配連接和壓配連接則隨之解除。一旦轉子的旋轉停止下來，插入部分就又會由于薄板元件的預壓配置而再次以適配連接方式插入凹槽內。
根據本發明的另一項技術特征，插入部分包含一種磁性材料。線圈的磁通量會因插入部分設有磁性材料而增大，從而使得當作用于插入部分上的電磁力增大時，壓配連接的狀況也得以改善。插入部分可由磁性材料組成，或者設有磁性材料覆蓋層。
根據本發明的另一項技術特征，線圈纏繞于轉子之上。
根據本發明的另一項技術特征，前述的凹槽設有一底面和一漸高側面，插入部分至少部分與底面和漸高側面相接觸。通過對凹槽和插入部分進行幾何設計，可使它們緊密適配，從而提高離合器所能傳送的動量。漸高側面的坡度影響著離合器的吸力大小和釋放的安全性，坡度值可根據離合器的要求來確定。
根據本發明的另一項技術特征，漸高側面匯合至外表面區域的頂部，由此優選地，插入部分也至少部分與頂部相接觸。這樣，在圓周外表面區域間，尤其是凹槽和薄板元件之間的適配狀況進一步得到改善。
根據本發明的另一項技術特征，凹槽即是兩齒形元件之間的間隔。齒形元件，尤其是若干個齒形元件優選地沿轉子的圓周分布，從而形成具有至少一個凹槽的圓周外表面，而轉子即會具有齒輪形狀。
基于另外一個發明目的，本發明提供了一種用于具有一閥門活塞的閥門的機電致動器，其包括一電機、一電磁輻射板離合器和一推桿，該推桿的一端與離合器的曲柄盤相連，另一端可與閥門的閥門活塞相連。電磁輻射板離合器包括一具有一轉軸的轉子和一具有至少一凹槽并與電機相連的圓周外表面，還包括環繞在轉子外的一圓筒形元件，其上固定有至少一個薄板元件，該薄板元件設有一插入部分以置于凹槽內。另外，電磁離合器還包括一用于將薄板元件保持在凹槽內的線圈，以及一連接在圓筒形元件上的曲柄盤。機電致動器可以根據情況，例如在蒸汽渦輪機突然停止運轉的時候，對閥門實施可靠的立即關閉操作，此時，轉子和圓筒形元件通過受電磁吸引的輻射板離合器斷開聯接。轉子可與所述電機相連，而圓筒形元件可與閥門活塞相連。前述斷開聯接是通過中斷線圈的電路來實現的，該線圈產生電磁力來吸住薄板元件。通過薄板元件與轉子斷開聯接，圓筒形元件的轉速得以大幅度提高，從而作用在薄板上的離心力能夠使薄板元件克服其因預壓產生的機械力而從凹槽中脫離升起。該斷開聯接的過程使得閥門到達關閉位。一旦圓筒形元件停止不動，由預壓薄板元件而產生的機械力即再次作用，使薄板元件再次與凹槽嚙合，與其適配連接。如果閥門突然關閉，圓筒形元件即停止不動，此時閥門到達關閉位，電機被切斷。
根據本發明的另一項技術特征，電機可通過一傳動裝置，尤其是多級傳動裝置連接到轉子上。
根據本發明的另一項技術特征，機電致動器設有一貯油器，電磁離合器與一阻尼裝置連接，其中阻尼裝置至少部分浸入貯油器內。阻尼裝置可為一與圓筒形元件相連的減振盤，或在一優選實施例中，圓筒形元件本身即形成了阻尼裝置，特別地，該圓筒形元件的外表面至少部分浸入貯油器內。減振盤或圓筒形元件可在其外圓周上設置一翅片等元件，用以增加阻尼系數。優選地，電機和曲柄盤設于貯油器外面。該貯油器優選地加裝非承壓油。阻尼裝置提供一阻尼，該阻尼對于在閥門突然關閉的情況下保護閥門座免遭傷害特別有利。由于該阻尼的存在，即使是在閥門突然關閉的情況下，閥門活塞也會在觸到閥門座之前，于閥門座附近將運行速度降下來。
根據本發明的另一項技術特征，機電致動器包括一搖臂，搖臂的一邊與推桿連接，另一邊可與閥門活塞連接。利用搖臂可節省致動器和閥門的布置空間，另外通過選擇不同臂長的搖臂桿，只需通過致動器在相應的搖臂桿上施加較小的力，便可使得閥門活塞克服閥門彈簧的較大的彈簧力而移動，該彈簧力是閥門彈簧受壓縮而產生的。
根據本發明的另一項技術特征，機電致動器與設有閥門活塞的閥門相連接。由于受閥門彈簧的力作用，閥門處于關閉位，而克服閥門彈簧的彈簧力就可將閥門打開。閥門優選為渦輪機的閥門，尤其是蒸汽渦輪機的閥門。與該閥門連接的致動器對于正常運行以及渦輪機蒸汽供應突然中斷兩種情況均發揮作用，所述正常運行是指關閉和打開閥門以調節渦輪機正常運行期間的蒸汽流。
根據另一個發明目的，本發明提供一種渦輪機，尤其是設有一調節流體流量閥門的蒸汽渦輪機。其中，閥門設有一閥門活塞，并與上述機電致動器連接。
在圖示和所描述的實施例中，本發明包括一電磁輻射板離合器，一用于具有一閥門活塞的閥門的機電致動器，一電機，一特別用于蒸汽渦輪機的電磁輻射板離合器，以及一渦輪機，尤其是蒸汽渦輪機。然而，這并不意味著本發明僅限于所示的具體實施例，因為可對本發明做出各種改進和結構變化，但均不超出本發明的實質，仍然落在權利要求書所公開的保護范圍內。
無論如何，根據下面的具體實施例再結合附圖，將更加充分地理解本發明的結構，其他的發明目的和其所具有的優點。
圖1為開啟位狀態的電磁輻射板離合器的斷面圖；圖2為關閉位狀態的電磁輻射板離合器的斷面圖；圖3為與關閉位閥門連接的機電致動器的局部縱截面示意圖；圖4示出了圖3中的機電致動器以及處于開啟位的閥門。
具體實施例方式
在說明書各附圖中，不同實施例所示出的同一部件均采用同一附圖標記。為了突出本發明的某些技術特征，附圖進行了局部簡化處理。
現在參照具體附圖，首先特別參照其中的圖1，圖中示出了一個實施例中開啟位狀態的電磁輻射板離合器10的斷面圖。電磁離合器10沿轉軸12延伸，該轉軸垂直于圖1所示的平面。離合器10包括一轉子11，其上纏有線圈21。纏有線圈21的轉子11具有一圓周外表面13。該圓周外表面13由若干齒形元件22形成，該齒形元件均勻分布于轉子11的圓周上。在每兩個相鄰的齒形元件22之間形成一凹槽17，該凹槽17具有一底面18和由齒形元件22的一側面形成的漸高側面19。漸高側面19匯合至齒形元件22的頂面20。轉子11被一圓筒形元件14所環繞，該圓筒形元件也繞轉軸12旋轉。在圓筒形元件14的內表面均勻分布著固定在其上的若干彈性薄板元件15。各薄板元件15設有一插入部分16，該插入部分的幾何形狀能夠接合在凹槽17內。特別是，各插入部分16的形狀能夠與底面18、漸高側面19和頂面20適配相接。在圖1所示的實施例中，電磁輻射板離合器10為開啟位狀態，其中圓筒形元件14按箭頭23所示的順時針方向旋轉。由于旋轉，同時線圈21又未通電，插入部分16就不會受到電磁力的吸引，此時插入部分16受離心力作用和旋轉中的齒形元件22作用從凹槽17中脫離出來。因此，電磁輻射板離合器10也就不再傳送動量和旋轉位移。
圖2示出了與圖1相同的電磁輻射板離合器10處于關閉位或接觸位狀態下的斷面圖，其中各薄板元件15的插入部分16接合于轉子11的凹槽17內。插入部分16與底面18和漸高側面19適配相接。在此關閉位或接觸位狀態中，離合器10能夠將作用在轉子11上的扭矩或動量傳送至圓筒形元件14上。受線圈21產生的電磁力作用，插入部分16被保持在凹槽17內，處于接觸位。為了增加線圈21的磁通量，插入部分16含有一種磁力材料，預壓各薄板元件15，從而既便沒有電磁力作用在該薄板元件上，它也可在機械力的作用下被置于凹槽17內。
圖3中示出了與閥門50相連的機電致動器30的局部斷面示意圖。優選地，閥門50是蒸汽渦輪機(圖中未示出)的控制閥、緊急關閉閥，或控制關閉組合閥，用以調節導入蒸汽渦輪機的一次蒸汽。閥門50包括蒸汽入口54和蒸汽出口55，二者之間設置蒸汽座53。閥門50還包括閥門活塞52，受閥門彈簧5 1的彈簧力作用，其一端安置于閥門座53上以關閉閥門50。這意味著，閥門入口54和閥門出口55之間的流體連接被阻斷。利用施加于閥門活塞52上的一作用力，可克服由閥門彈簧51施加的力，這使得閥門活塞52以受控方式沿軸向運動，直至閥門50的開啟位，從而調節通過閥門50的蒸汽量。
為了使閥門活塞52以受控方式進行運動，將其與機電致動器30連接。機電致動器30包括具有電機軸32的電機31和多級傳動裝置33。該多級傳動裝置33設有傳動軸34，該傳動軸與圖1和2所示電磁放射板離合器10的轉子11以剛性方式連接。在圖示實施例中，轉子1 1和傳動軸34這二者實際上形成了一個軸。在轉子11上均勻分布著若干沿轉軸12延伸的齒形元件22。轉軸12為轉子11和傳動軸34的對稱軸。轉子11由內表面載有薄板元件15的圓筒形元件14環繞。該圓筒形元件14至少部分浸入貯油器35中，其外表面可設置一些翅片或其他阻尼元件(圖中未示出)。圓筒形元件14與具有曲柄翅片39的曲柄盤37采取壓配方式，尤其是剛性方式進行連接。在此曲柄翅片39上，推桿38的一端40(即曲柄所在端)與曲柄盤37相連，而其另一端41(即閥門所在端)與搖臂42相連。搖臂42的一邊與推桿38相連，而另一邊與閥門活塞52相連。與推桿38相連的搖臂桿的臂長大于與閥門活塞52相連的搖臂桿的臂長。由于搖臂桿的作用，作用于推桿38上的較小的力產生了一個作用于閥門活塞52上的較大的力，以克服關閉位閥門彈簧51的彈簧力。因此為了調節蒸汽量——實際上是指移動閥門活塞52——離合器11只須傳送比不設搖臂42時小一些的動量，這使得能夠制造出節省空間的電磁離合器11和致動器30。電機31以及線圈21均由控制器43控制，該控制器包括名義閥門入口45和實際閥門入口46。這些閥門入口45和46指的是閥門活塞52名義上的位置和實際上的位置。為確定閥門活塞52的實際位置，在閥門活塞52上，例如在搖臂42和閥門50之間安裝一位置傳感器44。當閥門彈簧51對閥門活塞52施加彈簧力，使閥門50保持在關閉位時，致動器30就不再向閥門活塞52施加動量或力以關閉閥門50。因此在圖3所示的實施例中，電機31和線圈21均為不運行狀態。由于薄板元件15經過預壓處理，因此即使插入部分16上沒有電磁力作用，當轉子11不旋轉時，各插入部分16仍咬合在相應的凹槽17內。
在圖4的閥門50和機電致動器30的布置圖中所示出的閥門50位于開啟位。在這種情況下，電機31和線圈21均為運行狀態，因此曲柄盤37轉至導致推桿38沿軸向運動的位置。通過將推桿38的軸向運動經搖臂42轉換為閥門活塞52的軸向運動，閥門活塞52從閥門座53上脫離，從而閥門入口54和閥門出口55之間的流體得以連通，使得一次蒸汽流入蒸汽渦輪機。利用多級傳動裝置33，轉子11與圓筒形元件14相聯，曲柄盤37與推桿38相連，而推桿則通過搖臂42與閥門活塞52相連，電機31產生的扭矩轉換成力，該力作用于閥門活塞52上，以克服閥門彈簧51施加于閥門活塞52上的彈簧力。
如果閥門50緊急關閉，電機31和線圈21都不再運行。電機31一旦運轉，閥門彈簧51施加于閥門活塞52上的彈簧力就會立即啟動關閉位狀態下的閥門活塞52的運動。閥門活塞52的這種運動將轉換成離合器10的圓筒形元件14的旋轉運動。由于線圈21不運行，而圓筒形元件14又要旋轉，薄板元件15的插入部分16被迫脫離出凹槽17，使得圓筒形元件14能夠進行旋轉。當圓筒形元件14至少部分浸入貯油器35時，圓筒形元件14的旋轉運動產生一阻尼。該阻尼確保閥門活塞52不會撞到或損壞到閥門座53。因此由于圓筒形元件14所具有的阻尼，如果閥門活塞52緊急關閉，閥門座53可免遭傷害。
權利要求
1.一種電磁輻射板離合器(10)，其用于機電致動器(30)，尤其是用于閥門(50)的機電致動器，包括-一轉子(11)，其具有一轉軸(12)和一具有至少一個凹槽(17)的圓周外表面(13)；-一圓筒形元件(14)，其環繞在所述轉子(11)周圍；-至少一個薄板元件(15)，其固定于所述圓筒形元件(14)上，并設有一插入部分(16)，以置入所述凹槽(17)內；-一線圈(21)，其用于將所述薄板元件(15)保持在所述凹槽(17)內。
2.根據權利要求1所述的電磁離合器(10)，其中，所述至少一薄板元件(15)被預壓，以便將所述插入部分(16)以機械方式插入所述凹槽(17)內。
3.根據權利要求1或2所述的電磁離合器(10)，其中，所述插入部分(16)包含一種磁性材料。
4.根據上述權利要求之一所述的電磁離合器(10)，其中，所述線圈(21)纏繞在所述轉子(11)周圍。
5.根據上述權利要求之一所述的電磁離合器(10)，其中，所述凹槽(17)具有一底面(18)和一漸高側面(19)，所述插入部分(16)至少部分與所述底面(18)和所述漸高側面(19)相接觸。
6.根據權利要求5所述的電磁離合器(10)，其中，所述漸高側面(19)止于所述圓周外表面(13)的頂部(20)，所述插入部分(16)至少部分與所述頂面(20)相接觸。
7.根據上述權利要求之一所述的電磁離合器(10)，其中，所述凹槽(17)為兩個齒形元件(22)之間的間距。
8.一種機電致動器(30)，其用于具有一閥門活塞(52)的閥門(50)，包括a)一電機(31)；b)一電磁輻射板離合器(10)，其設有b1)一轉子(11)，其具有一轉軸(12)，以及一設有至少一凹槽(17)的圓周外表面(13)，所述轉子可與所述電機(31)相連接；b2)一圓筒形元件(14)，其圍繞所述轉子(11)設置；b3)至少一薄板元件(15)，其固定于所述圓筒形元件(14)上，并具有一插入部分(16)以置于所述凹槽(17)內；b4)一線圈(21)，其用于將所述薄板元件(15)保持在所述凹槽(17)內；b5)一曲柄盤(37)，其與所述圓筒形元件(14)相連接；c)一推桿(38)，其一端(40)與所述曲柄盤(37)相連接，另一端(41)與所述閥門活塞(52)相連接。
9.根據權利要求8所述的機電致動器(30)，其中，所述電機(31)可通過一傳動裝置(33)，尤其是一多級傳動裝置與所述轉子(11)相連接。
10.根據權利要求8或9所述的機電致動器(30)，還包括一貯油器(35)和一與所述離合器(10)連接的阻尼裝置(14)，其中，所述阻尼裝置(14)至少部分浸入所述貯油器(35)內。
11.根據權利要求8-10之一所述的致動器(30)，包括一搖臂(42)，其一邊與所述推桿(38)的另一端(41)相連接，其另一邊可與所述閥門活塞(52)相連接。
12.根據權利要求8-11之一所述的機電致動器(30)，與一具有閥門活塞(52)的閥門(50)相連接，所述閥門活塞受一閥門彈簧(51)的力作用而置于關閉位，克服所述閥門彈簧(51)的彈簧力則可將其開啟。
13.一種渦輪機，尤其是蒸汽渦輪機，設有一調節流體流量的閥門(50)，所述閥門(50)設有一閥門活塞(52)，該閥門活塞與一機電致動器(30)相連，所述機電致動器(30)包括a)一電機(31)；b)一電磁輻射板離合器(10)，設有b1)一轉子(11)，其具有一轉軸(12)以及一設有至少一凹槽(17)的圓周外表面(13)，所述轉子可與所述電機(31)相連接；b2)一圓筒形元件(14)，其圍繞所述轉子(11)設置；b3)至少一薄板元件(15)，其固定于所述圓筒形元件(14)上，并具有一插入部分(16)以置入所述凹槽(17)內；b4)一線圈(21)，其用于將所述薄板元件(15)保持在所述凹槽(17)內；b5)一曲柄盤(37)，其與所述圓筒形元件(14)相連接；c)一推桿(38)，其一端(40)與所述曲柄盤(37)相連，另一端(41)與所述閥門活塞(52)相連。
全文摘要
本發明涉及一種電磁輻射板離合器(10)，其用于機電致動器(30)，尤其是用于閥門(50)的機電致動器。該電磁離合器(10)包括一轉子(11)，該轉子具有一轉軸(12)，以及一設有至少一個凹槽(17)的圓周外表面(13)。轉子(11)由一圓筒形元件(14)環繞，其中至少一個薄板元件(15)固定于所述圓筒形元件(14)上。薄板元件(15)設有一插入部分(16)用以將其置入所述凹槽(17)內，其中一線圈(21)將所述薄板元件(15)保持在所述凹槽(17)內。本發明還涉及一種機電致動器(30)以及一種具有一閥門(50)的渦輪機，該閥門由所述機電致動器(30)操縱。
文檔編號F16D27/102GK1481480SQ02803324
公開日2004年3月10日 申請日期2002年9月25日 優先權日2001年10月1日
發明者理查德·斯坦博恩, 理查德 斯坦博恩 申請人:西門子公司