CN102506219A - 一种具有快速响应特性的永磁电磁阀 - Google Patents

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Abstract

一种具有快速响应特性的永磁电磁阀，用于汽车、火箭发动机的燃料供给控制和高精度控制***的执行元件，通过永磁体改变磁路特性，降低电磁阀线圈的感性，使得电磁阀能够对信号做出快速响应，实现快速启闭，改善发动机的脉冲特性和***的稳定性，包括接头、过滤器组件、永磁体、外壳、线圈、阀体、上垫片、衔铁组件、下垫片和阀座；过滤器组件包括上压环、过滤网和下压环；衔铁组件包括衔铁、上簧片、下簧片、外紧固环、挡板、销钉、内紧固环和导磁环，该阀采用永磁体调整磁路特性，使得线圈上的电流迅速可以变化，令电磁阀的开关速度得到显著提高，永磁体产生的永磁力与弹簧力组成的合力可以确保阀座的可靠密封。

Description

一种具有快速响应特性的永磁电磁阀
技术领域
本发明涉及一种具有快速响应特性的永磁电磁阀，可以用于对脉冲响应特性有较高要求的发动机燃料介质的管理控制，也可以作为高稳定控制***、液压***的关键执行元件。
背景技术
快速响应的开关电磁阀是很多控制***的关键执行元件，电磁阀的开关速度直接关系到***的稳定性和可控性。
此外，发动机的脉冲特性与电磁阀的响应速度关系非常密切。对于液体火箭发动机、汽车发动机等对于脉冲性能和一致性要求非常高的产品，实现电磁阀的快速响应是一项非常关键的技术。电磁阀的响应速度越快，喷嘴的雾化效果越好，发动机燃烧室的燃烧更加充分，燃烧效率将得到极大的改善，产品的性能提高，排出的尾气减少。
快速响应电磁阀一般有以下两种结构：
(1)一种是采用拍合式磁路的螺管式电磁阀，这种阀门结构简单、体积小、重量轻，但是这种结构的高速电磁阀比较依赖于高速驱动线路。当阀门开启时，驱动线路提供瞬间高电压，使得阀门迅速开启；当阀门关闭时，驱动线路迅速截止，将线圈电流降为零，使得阀门迅速关闭。由于这种电磁阀的行程小、流量小以及对于高速驱动线路的依赖性决定了其使用范围存在局限性。
(2)国外在液体火箭发动机上采用力矩马达阀作为发动机的控制阀。这种阀门开关速度快，而且功耗非常小，但是这种阀门也有诸多不足之处。首先，这种阀门的制造难度大，工艺复杂，成本高、价格贵；其次，这种阀门对于洁净度的要求非常高，较容易受到污染而导致泄漏。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有快速响应特性的永磁电磁阀，通过永磁体调整磁路特性，降低线圈的感性，使得电磁阀可以对信号进行快速响应，提高开关速度。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明永磁电磁阀结构简单，工艺性好，实现便捷，只需要在普通电磁阀的磁路中布置均匀的永磁体，就可以改变磁路特性，使得线圈的电感下降5～7倍，使得电磁阀线圈上的电流增长和下降速度均加快，迅速的达到开启电流或者关闭电流，实现提高阀门响应速度的目的，普通电磁阀开启响应速度为7ms左右，本发明增加了永磁体后，开启响应速度可以达到2ms左右。
(2)本发明永磁电磁阀的磁路结构不仅仅提高了电磁阀的开启响应速度，也使得关闭时间响应速度大幅度的提高了。开启响应速度会因为驱动电压的变化而变化，开启驱动电压越大，开启速度越快，但是在不同的驱动电压下，电磁阀的关闭响应速度变化不大，非常稳定。
(3)本发明永磁电磁阀在一般的驱动线路的驱动下，比同等流量下的普通电磁阀响应速度提高了3～5倍，如果配备高速驱动线路，电磁阀的响应速度还可以得到进一步的提高。
(4)本发明采用了吸入式电磁阀衔铁悬浮结构，进一步的降低了电磁阀的摩擦阻力，使得电磁阀的响应速度更加迅速，动作寿命更加可靠。
附图说明
图1为永磁电磁阀结构示意图；
图2为阀体结构示意图；
图3为衔铁组件结构示意图；
图4为簧片结构示意图
图5为瓦形永磁体示意图；
图6过滤器组件结构示意图；
图7为磁路示意图；
图8为普通电磁阀与永磁电磁阀的响应电流曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种具有快速响应特性的永磁电磁阀结构，包括接头1、过滤器组件2、永磁体3、外壳4、线圈5、阀体6、上垫片7、衔铁组件8、下垫片9和阀座10；过滤器组件包括上压环21、过滤网22和下压环23；衔铁组件包括衔铁81、上簧片82、下簧片83、外紧固环84、挡板85、销钉86、内紧固环87和导磁环88；
阀体(6)如图2所示，包括一段隔磁材料制成的隔磁圆环和两段软磁合金材料制成的带有台阶的直径不同的中空圆柱体，隔磁圆环套在直径较小的软磁中空圆柱体的一端，同时该直径较小的软磁中空圆柱体的套有隔磁圆环的一端，置于直径较大的软磁中空圆柱体的内腔中的一端，隔磁圆环与两段软磁中空圆柱体均焊接固定连接，形成阀体(6)，线圈5缠绕在阀体6的外壁凹槽中，引出线采用甩线方式。
若干瓦形永磁体3如图5所示，均匀的安装到阀体6外径较小一侧的外壁上，永磁体3之间的空隙可以使用软磁材料填充满，永磁体的极性方向与线圈5产生的电磁极性方向保持一致。
阀座10为带有台阶的中空圆柱体，一端为阀口，将上垫片7、衔铁组件8、下垫片9和阀座10有阀口一端依次装入阀体6外径较大一侧的空腔内，其中上垫片7控制衔铁组件8的行程，下垫片9控制上簧片82和下簧片83的压缩量，上垫片7的一面贴紧阀体6，另一面由衔铁组件8压紧；下垫片9的一面贴紧衔铁组件8，另一面由阀座10压紧，阀座10与阀体1焊接固定在一起。
如图3所示，衔铁81为软磁合金制成的带台阶的实心圆柱体，挡板85为实心圆柱体，一端挖有同轴的燕尾槽，燕尾槽内填充有非金属密封材料，衔铁81和挡板85之间通过使用销钉86铆接固定，上簧片82、内紧固环87、下簧片83和外紧固环84从挡板85一侧装入，依次套在衔铁81的芯轴上，其中，上簧片82被衔铁81和内紧固环87夹紧，下簧片83被内紧固环87和外紧固环84夹紧，导磁环88夹在上簧片82和下簧片83之间，外紧固环84与衔铁81之间使用激光焊接进行4点点焊固定。
如图4所示，上簧片42和下簧片43均为三臂簧片结构，具有良好的稳定性和径向刚度。上簧片82和下簧片83均位于线圈5的同侧，且上簧片82和下簧片83将衔铁81悬浮起来，使得衔铁81可以来回往复运动。
上簧片82和下簧片83作用在衔铁81上的弹簧力之和大于永磁体3作用在衔铁81上的吸合力，使得弹簧力之和减去吸合力后产生的密封力可以保证挡板85与阀座10之间的可靠密封。
过滤器组件2如图6所示，由上压环21和下压环23将过滤网22压紧并焊接组成，接头1为带有台阶的中空圆柱体，装配在接头1无锥面一侧的中心孔内，接头1、过滤器组件2与阀体6的外径较小一端的中心孔相连通，外壳4外软磁材料的空心圆柱体，套在阀体6外侧，使用螺钉紧固，外壳4圆柱壁面上有腰形孔，将线圈5的引线从孔中引出，从腰形孔处注入环氧树脂，将线圈5固封。
如图7所示，永磁体3、阀体6、衔铁81、导磁环88、衔铁81与阀体6之间的一段气隙、外壳4构成一条完整的闭环磁路。
当电磁阀线圈5未通电时，永磁体3在磁路中产生吸力，作用在衔铁81上，产生一个与密封方向相反的力，衔铁组件8中的上簧片82、下簧片83变形产生的弹簧力需要克服吸力之后，仍然有足够的力保证挡板85与阀座10的密封。如果永磁吸力经过磁脉冲和温度交变后磁力有所衰退，则密封力将更大，密封更可靠。
如图8所示，永磁体3的作用使得电磁阀线圈5的电感值大大下降，因此当线圈5通电时，永磁电磁阀的电流上升速度远高于普通电磁阀，使得电磁力能够更快的提高，当电磁力能够克服弹簧力时，衔铁81开始带动挡板85向接头1方向运动，阀门开始开启，此时由于衔铁81运动切割磁力线使得电流下降，当衔铁81运动完毕后，阀门完全开启，电流继续爬升至稳态值。
当线圈5断电时，永磁体3的作用使永磁电磁阀的电流较普通电磁阀下降的更加迅速，令电磁力衰减的更快，当电磁力小于弹簧力时，衔铁81在弹簧力作用下复位，阀门开始关闭，此时由于衔铁81运动切割磁力线使得电流上升，当衔铁81运动完毕后，阀门完全关闭，电流继续下降至零。
通过电流曲线中上升沿、下降沿的拐点可以确定电磁阀的开启、关闭响应速度，从图8中可以看出，由于永磁体3的作用使得永磁电磁阀的开启、关闭响应速度远高于普通电磁阀。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种具有快速响应特性的永磁电磁阀，其特征在于：包括接头(1)、过滤器组件(2)、永磁体(3)、外壳(4)、线圈(5)、阀体(6)、上垫片(7)、衔铁组件(8)、下垫片(9)和阀座(10)；
阀体(6)为软磁材料制成的带有台阶的中空圆柱体，线圈(5)缠绕在阀体(6)的外壁台阶凹槽中，线圈(5)的引出线采用甩线方式，永磁体(3)为瓦形，多个永磁体(3)均匀的装配在阀体(6)外径较小一端的外壁上；
衔铁组件(8)包括衔铁(81)、上簧片(82)、下簧片(83)、外紧固环(84)、挡板(85)、销钉(86)、内紧固环(87)和导磁环(88)；
衔铁(81)为侧壁带台阶的实心圆柱体，且沿轴向的一个端面正中有一个圆柱形凹槽，挡板(85)为截面为T形的实心圆柱体，挡板(85)的直径大的一端表面挖有同轴的燕尾槽，燕尾槽内填充有非金属密封材料，挡板(85)的直径小的一端***到衔铁(81)的一个端面正中有一个圆柱形凹槽中，紧密贴合，且使用销钉(86)铆接固定；
上簧片(82)、导磁环(88)、内紧固环(87)、下簧片(83)和外紧固环(84)从挡板(85)一侧装入，依次套在衔铁(81)的侧壁台阶上，其中，上簧片(82)被衔铁(81)和内紧固环(87)夹紧，下簧片(83)被内紧固环(87)和外紧固环(84)夹紧，导磁环(88)夹在上簧片(82)和下簧片(83)之间，外紧固环(84)与衔铁(81)之间焊接固定；
阀座(10)为带有台阶的中空圆柱体，一端为阀口；将上垫片(7)、衔铁组件(8)、下垫片(9)和阀座(10)有阀口的一端依次装入阀体(6)外径较大一侧的空腔中，其中上垫片(7)的一面贴紧阀体(6)，另一面贴紧衔铁组件(8)的上簧片(82)；下垫片(9)的一面贴紧衔铁组件(8)的下簧片(83)，另一面贴紧阀座(10)；下垫片(9)用于调整上簧片(82)和下簧片(83)的变形量，上垫片(7)用于调整衔铁(81)的动作行程，阀座(10)与阀体(6)焊接固定；
接头(1)为带有台阶的中空圆柱体，一端为锥面，一端为圆面，过滤器组件(2)包括上压环(21)、过滤网(22)和下压环(23)；上压环(21)和下压环(23)将过滤网(22)夹在中间，压紧并焊接为一体，过滤器组件(2)装配在接头(1)圆面一侧的中心孔内；接头(1)、过滤器组件(2)与阀体(6)的外径较小一端的中心孔相连通；
外壳(4)为软磁材料的空心圆柱体，套在阀体(6)外侧，使用螺钉紧固，外壳(4)圆柱壁面上有腰形孔，将线圈(5)的引线从孔中引出，从腰形孔处注入环氧树脂，将线圈(5)固封。
2.根据权利要求1所述的一种具有快速响应特性的永磁电磁阀，其特征在于：永磁体(3)、阀体(6)、衔铁(81)、导磁环(88)、外壳(4)以及衔铁(81)与阀体(6)之间的一段气隙构成一条完整的闭环磁路，永磁体(3)起到加速驱动的作用。
3.根据权利要求1所述的一种具有快速响应特性的永磁电磁阀，其特征在于：所述上簧片(82)和下簧片(83)作用在衔铁(81)上的弹簧力之和大于永磁体(3)作用在衔铁(81)上的吸合力，使得弹簧力之和减去吸合力后产生的密封力可以保证挡板(85)与阀座(10)之间的可靠密封。
4.根据权利要求1所述的一种具有快速响应特性的永磁电磁阀，其特征在于：阀体(6)包括一段隔磁材料制成的隔磁圆环和两段软磁合金材料制成的带有台阶的直径不同的中空圆柱体，隔磁圆环套在直径较小的软磁中空圆柱体的一端，同时该直径较小的软磁中空圆柱体的套有隔磁圆环的一端，置于直径较大的软磁中空圆柱体的内腔中的一端，隔磁圆环与两段软磁中空圆柱体均焊接固定连接，形成阀体(6)。
5.根据权利要求1所述的一种具有快速响应特性的永磁电磁阀，其特征在于：衔铁(81)、导磁环(88)为软磁合金制成。
6.根据权利要求1所述的一种具有快速响应特性的永磁电磁阀，其特征在于：外紧固环(84)与衔铁(81)之间使用激光焊接进行4点点焊固定。
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