CN106575562B - 复合磁路双永磁体电磁铁及复合磁路双永磁体高速电磁阀 - Google Patents

Abstract

一种复合磁路双永磁体电磁铁及复合磁路双永磁体高速电磁阀，电磁阀包括阀杆(1)、衔铁(2)、卡环(3)、宽永磁体(4)、铁芯(5)、线圈(6)、窄永磁体(7)、线圈骨架(8)、固定螺母(9)、液力减振组件(10)、初始气隙调节环(13)、壳体(14)、低压腔体(15)、衔铁复位弹簧(16)、底座(18)、衔铁升程调节块(20)、限位环(21)、衔铁升程调节块固定螺母(22)。该结构能有效降低电磁阀的驱动电流，减小电磁阀功耗及线圈发热量，以及加快衔铁的释放速度；同时能够降低衔铁吸合时的碰撞程度，减小阀开启时的振荡情况，提高喷油的控制精度，减小对限制装置的损坏，提高柴油机经济性，降低排放。

Description

复合磁路双永磁体电磁铁及复合磁路双永磁体高速电磁阀

技术领域

本发明涉及电磁阀技术领域，尤其涉及一种柴油机电控燃油***用高速电磁阀及用于高速电磁阀的电磁铁，具体涉及一种复合磁路双永磁体电磁铁及复合磁路双永磁体高速电磁阀。

背景技术

随着柴油机电子控制技术的不断发展，电控燃油喷射***成为满足日益严格的柴油机排放法规及经济性要求的必然趋势。而无论是电控泵喷嘴、单体泵、分配泵，还是目前发展最快的高压共轨电控燃油喷油***，高速电磁阀都是保证它们能否正常工作的最关键、最核心的部件。它通过高速电磁阀电磁铁精确调节其控制阀的开闭时刻及闭合时间长短来对喷油定时、喷油量及喷油规律进行柔性控制，进而提高柴油机经济性，降低排放。

而电磁阀的动态响应特性及其多循环工作一致性是实现燃油***高精度喷油定时、定量及灵活喷油规律的最主要特征。目前电磁阀常在衔铁吸合阶段采用高的驱动电压产生大电流来加快其吸合速度，而吸合保持阶段采用相对较小的电流来维持，进而加快衔铁的释放速度，从而提高电磁阀的整体响应速度。然而大电流使得电磁阀功耗加大，线圈发热量增加，对线圈及其密封材料等的温度特性提出了更高的要求，电磁阀的安全可靠性及寿命下降；另外衔铁吸合保持阶段是电磁阀主要工作时间段，电流作用时间长，尤其燃油***在大脉宽工作状态下，其作用时间更长，此时线圈发热量大大增加，若此时能进一步降低维持电流，将大大提高电磁阀的安全可靠性，同时亦可加快衔铁的释放速度。此外，为满足电控燃油***高响应的特性，常规电磁阀衔铁在吸合时必将以大的速度与阀座或限位装置进行猛烈撞击而出现大的振荡，影响控制阀实际开启或关闭时刻，进而影响控制喷油的控制精度，同时长期工作将对阀座或限位装置造成损坏，影响其工作的一致性和寿命。

公开号为CN102360707A的专利文件中公开了一种电磁铁组件及具有电磁铁组件的喷射阀，其设有包括一个磁铁芯、一个电磁铁线圈及一个与该电磁铁线圈相互配合的、由单部件或多部件构成的可升降运动的衔铁以及至少一个永久磁铁的电磁铁组件，永久磁铁被组合在磁铁芯中或衔铁中及产生一个基本磁通，基本磁通在电磁铁线圈通电流时引起作用在衔铁上的磁力的增强或削弱。当该电磁铁组件线圈通一相对永久磁铁极性同向电流时，作用在衔铁上的磁力增强，衔铁吸合速度加快，但是在线圈断电时，永久磁铁产生的基本磁通仍作用于衔铁，产生自锁力，影响衔铁的释放速度，后续采用了反向电压来加快其释放速度，但又增加了驱动控制的复杂性，以及功耗增大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是：提供一种低功耗、高响应、低振荡的复合磁路双永磁体电磁铁及复合磁路双永磁体高速电磁阀，以解决现有的电磁铁组件功耗大、响应偏低、与阀座或限位装置进行猛烈撞击出现大的振荡，从而造成控制精度低、安全可靠性及寿命下降的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种复合磁路双永磁体电磁铁，包括铁芯、绕在线圈骨架上的线圈和永磁体，铁芯上开有环形凹槽形成主磁极和副磁极，线圈镶在所述环形凹槽中，所述永磁体包括宽永磁体和窄永磁体，窄永磁体设在铁芯的主磁极和副磁极之间、线圈的外侧或内侧，窄永磁体高度和线圈骨架的高度相等，宽永磁体设在主磁极与副磁极之间、线圈骨架的下方，宽永磁体的下表面与铁芯的下表面平齐或略低，两永磁体的充磁方向均为径向辐射充磁且极性相同。

其中，铁芯的中间开有阶梯中心孔，所述阶梯中心孔中设有液力减振组件，所述液力减振组件包括活塞导向套、阻尼活塞、活塞复位弹簧和阻尼位移调节环，阻尼活塞与活塞导向套为一耦件，阻尼活塞上设有若干阻尼孔，活塞导向套与阶梯中心孔小孔过盈配合，活塞导向套的高度等于阶梯中心孔的小孔的深度，阻尼活塞被活塞复位弹簧预压在阻尼位移调节环上，阻尼位移调节环为中心开有圆柱孔的凸台结构，阻尼位移调节环与阶梯中心孔的大孔固连。

其中，宽永磁体和/或窄永磁体是完整的磁环。

其中，宽永磁体和/或窄永磁体是等分的圆弧永磁体，等分的圆弧永磁体紧密布置或等分均匀间隔分布。

本发明还提供了一种复合磁路双永磁体高速电磁阀，包括壳体、电磁铁、初始气隙调节环、低压腔体、底座、阀杆和衔铁，底座、低压腔体、初始气隙调节环、电磁铁自下而上依次布置于壳体中，壳体上部设置固定螺母，底座上开有高压油孔，低压腔体中间开有一大圆柱孔形成低压油腔、同时开有连通圆孔和回油孔，阀杆穿过底座和低压腔体，阀杆下端设置限位环，衔铁安装在阀杆上部，阀杆中带有锥阀，锥阀位于低压油腔中且锥阀上部的阀杆上套有衔铁复位弹簧，其特征是：所述电磁铁是复合磁路双永磁体电磁铁，所述复合磁路双永磁体电磁铁包括铁芯、绕在线圈骨架上的线圈和永磁体，铁芯上开有环形凹槽形成主磁极和副磁极，线圈镶在所述环形凹槽中，所述永磁体包括宽永磁体和窄永磁体，窄永磁体设在铁芯的主磁极和副磁极之间、线圈的外侧或内侧，窄永磁体高度和线圈骨架的高度相等，宽永磁体设在主磁极与副磁极之间、线圈骨架的下方，宽永磁体的下表面与铁芯的下表面平齐或略低，两永磁体的充磁方向均为径向辐射充磁且极性相同。

其中，铁芯的中间开有阶梯中心孔，所述阶梯中心孔中设有液力减振组件，所述液力减振组件包括活塞导向套、阻尼活塞、活塞复位弹簧和阻尼位移调节环，阻尼活塞与活塞导向套为一耦件，阻尼活塞上设有若干阻尼孔，活塞导向套与阶梯中心孔小孔过盈配合，活塞导向套的高度等于阶梯中心孔的小孔的深度，阻尼活塞被活塞复位弹簧预压在阻尼位移调节环上，阻尼位移调节环为中心开有圆柱孔的凸台结构，阻尼位移调节环与阶梯中心孔的大孔固连。

其中，底座下部安装衔铁升程调节块。

其中，宽永磁体和/或窄永磁体是完整的磁环或者是等分的圆弧永磁体；当宽永磁体和/或窄永磁体为圆弧永磁体时，等分的圆弧永磁体为紧密布置或等分均匀间隔分布。

(三)有益效果

本发明提供了一种复合磁路双永磁体电磁铁及复合磁路双永磁体高速电磁阀，具有以下优点：

本发明采用了复合磁路双永磁体的结构，当线圈通一与永磁体极化方向相同的电流时，线圈产生的磁通与永磁体产生的磁通复合叠加，穿过衔铁，同时能有效屏蔽主副磁极间的漏磁，使得作用在衔铁上的轴向电磁力增加，因此可以减小衔铁吸合与吸合保持阶段线圈驱动电流的大小，降低电磁阀功耗及线圈发热量；而当线圈不通电时，永磁体产生的磁通主要在铁芯部分构成磁回路，只有极少量磁通穿过衔铁，因而不会产生自锁，又由于采用复合磁路双永磁体结构可以使得在吸合保持阶段维持电流的降低，所以又能加快衔铁的释放速度；此外，采用了液力减振结构，在衔铁吸合过程中能实现前一段加速运动而后一段进行减振，降低关闭时刻的碰撞程度，减小阀开启时的振荡情况，提高喷油的控制精度，减小对限制装置的损坏；同时结合初始气隙调节环、衔铁升程调节块及阻尼位移调节环能对衔铁残余气隙、运动升程及加速和减振距离进行自由调节。

附图说明

图1为本发明的复合磁路双永磁体高速电磁阀的整体结构示意图；

图2(a)-图2(b)为图1窄永磁体7的两种布置形式，图2(a)为窄永磁体7位于线圈骨架外侧，图2(b)为窄永磁体7位于线圈骨架内侧；

图3(a)-图3(c)为图1宽永磁体4的3种不同结构示意图，图3(a)是完整的磁环；图3(b)是等分的圆弧永磁体且为紧密布置；图3(c)是等分的圆弧永磁体且为等分均匀间隔分布；

图4为线圈通电时的电磁铁磁路示意图；

图5为常规电磁铁线圈通电时的磁路示意图；

图6为线圈不通电时的电磁铁磁路示意图；

图7为液力减振组件的局部放大示意图；

图8为图1衔铁升程调节块俯视图。

图中，1：阀杆；2：衔铁；3：卡环；4：宽永磁体；5：铁芯；6：线圈；7：窄永磁体；8：线圈骨架；9：固定螺母；10：液力减振组件；11：铁芯的下表面；12：宽永磁体的下表面；13：初始气隙调节环；14：壳体；15：低压腔体；16：衔铁复位弹簧；17：锥阀；18：底座；19：高压油孔；20：衔铁升程调节块；21：限位环；22：螺母；23：低压油腔；24：回油孔；25：主磁极；26：副磁极；27：外工作气隙；28：内工作气隙；29：磁轭；30：活塞复位弹簧；31：活塞导向套；32：阻尼活塞；33：阻尼孔；34：阻尼位移调节环；35：圆孔；36：衔铁室。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

结合图1、图2(a)和图2(b)，本发明的复合磁路双永磁体电磁铁的第一种实施方式的组成包括衔铁2、宽永磁体4、铁芯5、线圈6、窄永磁体7、线圈骨架8。在铁芯5环形凹槽中设有复合磁路双永磁体结构，其包括窄永磁体7和宽永磁体4，窄永磁体7设在铁芯5的主磁极25和副磁极26之间，线圈骨架8的外侧或内侧，并紧靠主磁极25或副磁极26，其间无缝隙，窄永磁体7高度和线圈骨架8高度相等；宽永磁体4设在主磁极25与副磁极26之间，线圈骨架8的下方，宽永磁体4与主磁极25、副磁极26之间采用过盈配合，宽永磁体4的下表面12与铁芯的下表面11平齐或略低于它；两永磁体的充磁方向均为径向辐射充磁，且极性相同。

同时结合图7，本发明的复合磁路双永磁体电磁铁的第二种实施方式是在第一种实施方式的基础上，在铁芯5中心增设液力减振组件10。液力减振组件包括活塞导向套31、阻尼活塞32、活塞复位弹簧30、阻尼位移调节环34，其中阻尼活塞32与活塞导向套31为一耦件，阻尼活塞32上设有若干阻尼孔33且均布在同一圆周上，活塞导向套31与铁芯5阶梯中心孔小孔过盈配合，其高度等于铁芯5阶梯中心孔小孔深度，阻尼活塞32被活塞复位弹簧30预压在阻尼位移调节环34上，阻尼位移调节环34为中心开有圆柱孔的凸台结构，与铁芯5阶梯中心孔大孔通过螺纹连接。

结合图3(a)、图3(b)和图3(c)，上述复合磁路双永磁体电磁铁的两种实施方式中，两永磁体可以是完整的磁环，也可由等分的圆弧永磁体构成，或等分均匀间隔分布的圆弧永磁体构成。图3(a)、图3(b)、图3(c)分为宽永磁体完整磁环、3等分的圆弧永磁体组合磁环、3等分均匀间隔分布的圆弧永磁体组合磁环。

结合图1、图2(a)和图2(b)，基于本发明的复合磁路双永磁体电磁铁的复合磁路双永磁体高速电磁阀的第一种实施方式的组成包括阀杆1、衔铁2、卡环3、宽永磁体4、铁芯5、线圈6、窄永磁体7、线圈骨架8、固定螺母9、初始气隙调节环13、壳体14、低压腔体15、衔铁复位弹簧16、底座18、限位环21。

衔铁2和铁芯5均为高导磁软磁材料，其他为非软磁材料。铁芯5为圆柱形，其轴线与衔铁2的中心轴线对齐，其中心开有阶梯圆柱孔，大孔上攻有螺纹，外侧开有一环形凹槽，将铁芯分为主磁极25和副磁极26。线圈骨架8上绕有一定匝数的漆包铜线形成线圈6，其径向宽度和轴向高度分别小于铁芯环形凹槽的宽度和深度，线圈骨架8和线圈6两者一同被压入环形凹槽中。在铁芯5环形凹槽中设有复合磁路双永磁体结构，包括窄永磁体7和宽永磁体4。窄永磁体7为环形，如图2(a)和图2(b)所示，其有两种布置方式，图2(a)为窄永磁体7位于线圈骨架8外侧，窄永磁体7被压入在副磁极26与线圈骨架8之间，图2(b)为窄永磁体7位于线圈骨架8内侧，窄永磁体7被压入在主磁极25与线圈骨架8之间，窄永磁体7与线圈骨架6之间也可留有一定空隙，用橡胶或树脂等填充，但窄永磁体7须与副磁极26或主磁极25紧密接触，其间无缝隙，另外窄永磁体7的高度和线圈骨架8高度相等。宽永磁体4同为环形，被压入在线圈的下方，主磁极25与副磁极26之间，宽永磁体4与主磁极25、副磁极26之间采用过盈配合，宽永磁体4的下表面12与铁芯的下表面11平齐或略低于它。窄永磁体7和宽永磁体4的充磁方向均为径向辐射充磁，且极性相同。两永磁体可以是完整的磁环，也可由等分的圆弧永磁体构成，或等分均匀间隔分布的圆弧永磁体构成，图3(a)、图3(b)、图3(c)分为宽永磁体完整磁环、3等分的圆弧永磁体组合磁环、3等分均匀间隔分布的圆弧永磁体组合磁环。

同时结合图7，本发明的复合磁路双永磁体高速电磁阀的第二种实施方式是在第一种实施方式的基础上，在铁芯5中心设置液力减振组件10。图7为液力减振组件10的放大示意图，其包括活塞导向套31、阻尼活塞32、活塞复位弹簧30、阻尼位移调节环34，其中阻尼活塞32与活塞导向套31为一耦件，阻尼活塞32上设有若干阻尼孔33且均布在同一圆周上，活塞导向套31与铁芯5阶梯中心孔小孔过盈配合，其高度等于铁芯5阶梯中心孔小孔深度，阻尼活塞32被活塞复位弹簧30预压在阻尼位移调节环34上，阻尼位移调节环34为中心开有圆柱孔的凸台结构，与铁芯5阶梯中心孔大孔通过螺纹连接，通过采用不同凸台高度h的阻尼位移调节环34来改变阻尼活塞32与阀杆1的初始距离。整个电磁阀组件被封装在壳体14内，阀杆1与衔铁2通过卡环3固定连接，同时阀杆1上带有锥阀17和限位环21，锥阀17与阀杆1为一体，限位环21通过过盈配合或螺纹与阀杆进行固定连接。另外在铁芯5和低压腔体15之间设有衔铁初始气隙调节环13；低压腔体15中间开有一大圆柱孔形成低压油腔23，同时设有同衔铁室36连通的圆孔35和回油孔24；在底座18上开有高压油孔19，其下方设有衔铁升程调节块20，由两半月形块体组成，其上开有两对称孔，如图8所示，由衔铁升程调节块固定螺母22将其固定在底座上。

图4-图6示出了复合磁路双永磁体结构的励磁原理，(1)当线圈6通一与永磁体极化方向相同的电流时，线圈产生的经主磁极25、磁轭29、副磁极26、外工作气隙27、衔铁2、内工作气隙28而闭合的磁通Ф₃，宽永磁体4产生的经副磁极26、外工作气隙27、衔铁2、内工作气隙28、宽永磁体4而闭合的磁通Ф₁，窄永磁体7产生的经副磁极26、外工作气隙27、衔铁2、内工作气隙28、主磁极25、线圈骨架8、线圈6、窄永磁体7而闭合的磁通Ф₂，三者复合叠加，使得衔铁工作气隙处的磁感应强度增强，同时有效屏蔽了常规电磁铁线圈通电时产生的在主副磁极间的漏磁Ф₇，该部分磁通不经过衔铁而闭合，因此作用在衔铁上电磁力增加，所以可以减小衔铁吸合与吸合保持阶段线圈驱动电流的大小，降低电磁阀的功耗与线圈发热量，同时衔铁吸合保持阶段驱动电流的降低，使得线圈断电时，电流衰减速度加快，提升衔铁的释放速度。(2)当线圈不通电时，宽永磁体4产生的磁通一部分Ф₅经副磁极26、磁轭29、主磁极25、宽永磁体4而闭合，一部分Ф₄经副磁极26、外工作气隙27、衔铁2、内工作气隙28、主磁极25、宽永磁体4而闭合，同时宽永磁体4产生的磁场迫使窄永磁体7产生的磁通Ф₆经副磁极26、磁轭29、主磁极25、线圈骨架8、线圈6、窄永磁体7而闭合，另外由于铁芯采用高磁导率材料，其磁阻远远小于工作气隙处的磁阻，因此Ф₄也远远小于Ф₅和Ф₆，流经工作气隙和衔铁2的磁通极少，所以线圈不通电时，衔铁所受电磁力很小，和衔铁复位弹簧预紧力相比甚微，不会产生自锁现象。

当线圈通电，铁芯5对衔铁2产生电磁吸力，当足以克服衔铁复位弹簧16预紧力时，衔铁2带动阀杆1开始朝铁芯5加速运动，随着铁芯5与衔铁2间气隙的减小，电磁力越来越大，衔铁2运动速度也越来越快，当阀杆1顶端接触阻尼活塞32后，将带动其一起运动，由于阻尼活塞32上开有若干阻尼孔33产生节流，衔铁运动受到液体阻尼力作用，将部分动能转化为液体热能与活塞复位弹簧30势能，从而降低衔铁到达最大升程时限位环21与衔铁升程调节块20的碰撞程度，减小锥阀17开启时的振荡情况，进而减小从高压油孔19泄入低压油腔23再从回油孔24排出的高压油的非线性量，提高该油路所控制喷射针阀的控制精度，提高喷油控制精度。同时通过组合调节衔铁初始气隙调节环13高度、衔铁升程调节块20厚度及阻尼位移调节环34h高度能对衔铁残余气隙、运动升程及加速和减振距离进行自由调节，兼顾电磁阀响应及其吸合碰撞情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种复合磁路双永磁体电磁铁，包括铁芯、绕在线圈骨架上的线圈和永磁体，其特征是：铁芯上开有环形凹槽形成主磁极和副磁极，线圈镶在所述环形凹槽中，所述永磁体设于所述环形凹槽内，所述永磁体包括宽永磁体和窄永磁体，窄永磁体平行于线圈骨架设置且位于主磁极和线圈骨架之间或位于副磁极和线圈之间，窄永磁体高度和线圈骨架的高度相等，宽永磁体设在主磁极与副磁极之间且位于窄永磁体与线圈骨架的下方，宽永磁体的下表面与铁芯的下表面平齐或宽永磁体的下表面比铁芯的下表面略低，两永磁体的充磁方向均为径向辐射充磁且极性相同。

2.根据权利要求1所述的复合磁路双永磁体电磁铁，其特征是：铁芯的中间开有阶梯中心孔，所述阶梯中心孔中设有液力减振组件，所述液力减振组件包括活塞导向套、阻尼活塞、活塞复位弹簧和阻尼位移调节环，阻尼活塞与活塞导向套为一耦件，阻尼活塞上设有若干阻尼孔，活塞导向套与阶梯中心孔小孔过盈配合，活塞导向套的高度等于阶梯中心孔的小孔的深度，阻尼活塞被活塞复位弹簧预压在阻尼位移调节环上，阻尼位移调节环为中心开有圆柱孔的凸台结构，阻尼位移调节环与阶梯中心孔的大孔固连。

3.根据权利要求1或2所述的复合磁路双永磁体电磁铁，其特征是：宽永磁体和/或窄永磁体是完整的磁环。

4.根据权利要求1或2所述的复合磁路双永磁体电磁铁，其特征是：宽永磁体和/或窄永磁体是等分的圆弧永磁体，等分的圆弧永磁体紧密布置或等分均匀间隔分布。

5.一种复合磁路双永磁体高速电磁阀，包括壳体、电磁铁、初始气隙调节环、低压腔体、底座、阀杆和衔铁，底座、低压腔体、初始气隙调节环、电磁铁自下而上依次布置于壳体中，壳体上部设置固定螺母，底座上开有高压油孔，低压腔体中间开有一大圆柱孔形成低压油腔、同时开有连通圆孔和回油孔，阀杆穿过底座和低压腔体，阀杆下端设置限位环，衔铁安装在阀杆上部，阀杆中带有锥阀，锥阀位于低压油腔中且锥阀上部的阀杆上套有衔铁复位弹簧，其特征是：所述电磁铁是复合磁路双永磁体电磁铁，所述复合磁路双永磁体电磁铁包括铁芯、绕在线圈骨架上的线圈和永磁体，铁芯上开有环形凹槽形成主磁极和副磁极，线圈镶在所述环形凹槽中，所述永磁体设于所述环形凹槽内，所述永磁体包括宽永磁体和窄永磁体，窄永磁体平行于线圈骨架设置且位于主磁极和线圈骨架之间或位于副磁极和线圈之间，窄永磁体高度和线圈骨架的高度相等，宽永磁体设在主磁极与副磁极之间且位于窄永磁体与线圈骨架的下方，宽永磁体的下表面与铁芯的下表面平齐或宽永磁体的下表面比铁芯的下表面略低，两永磁体的充磁方向均为径向辐射充磁且极性相同。

6.根据权利要求5所述的复合磁路双永磁体高速电磁阀，其特征是：铁芯的中间开有阶梯中心孔，所述阶梯中心孔中设有液力减振组件，所述液力减振组件包括活塞导向套、阻尼活塞、活塞复位弹簧和阻尼位移调节环，阻尼活塞与活塞导向套为一耦件，阻尼活塞上设有若干阻尼孔，活塞导向套与阶梯中心孔小孔过盈配合，活塞导向套的高度等于阶梯中心孔的小孔的深度，阻尼活塞被活塞复位弹簧预压在阻尼位移调节环上，阻尼位移调节环为中心开有圆柱孔的凸台结构，阻尼位移调节环与阶梯中心孔的大孔固连。

7.根据权利要求5或6所述的复合磁路双永磁体高速电磁阀，其特征是：底座下部安装衔铁升程调节块。

8.根据权利要求5或6所述的复合磁路双永磁体高速电磁阀，其特征是：宽永磁体和/或窄永磁体是完整的磁环或者是等分的圆弧永磁体；当宽永磁体和/或窄永磁体为圆弧永磁体时，等分的圆弧永磁体为紧密布置或等分均匀间隔分布。

9.根据权利要求7所述的复合磁路双永磁体高速电磁阀，其特征是：宽永磁体和/或窄永磁体是完整的磁环或者是等分的圆弧永磁体；当宽永磁体和/或窄永磁体为圆弧永磁体时，等分的圆弧永磁体为紧密布置或等分均匀间隔分布。