CN106917698B - 一种用于双组元发动机的力矩马达阀 - Google Patents

Abstract

一种用于双组元发动机的力矩马达阀，包括力矩马达(2)、衔铁‑挡板组件(4)、阀体(5)、入口接头(6)和喷嘴(7)。本发明利用力矩马达(2)将工作气隙处的磁力放大为驱动衔铁‑挡板组件(4)运动的力矩，提高了响应速度；衔铁‑挡板组件(4)采用十字型衔铁，与两套弹簧管‑挡板组件相连，力矩马达(2)可以控制两路流体的同时开启与关闭，可以实现双组元发动机氧、燃两路推进剂的同步供给和关闭；采用平面密封方式，利用永磁偏置力矩施加平面密封力，简化了密封副和流道结构，降低了流阻及多余物产生的风险；弹簧管的变形又可以加速力矩马达阀的开启，提高了响应速度。

Description

一种用于双组元发动机的力矩马达阀

技术领域

本发明属于机械领域，涉及一种力矩马达阀结构。

背景技术

空间液体火箭发动机按照所需要的推进剂种类可以分为单组元发动机和双组元发动机。双组元发动机由于其比冲高、响应快等优势，已经成为卫星姿态控制及轨道控制的主流发动机。它的原理是利用氧化剂与燃烧剂混合燃烧产生高温燃气，并通过喷管加速产生推力。双组元发动机的开机及关机是通过阀门控制氧化剂与燃烧剂的通断来实现的，因此，阀门开关响应对双组元发动机的性能至关重要。

双组元发动机一般采用两个螺线管电磁阀分别控制氧化剂及燃烧剂的通断，这种方式不能满足高性能双组元发动机的要求，主要体现在：(1)两个螺线管电磁阀的响应无法达到完全同步，给双组元发动机的氧、燃时序控制带来了困难；(2)螺线管电磁阀的电-机械转化效率低，进一步提高其响应时间存在技术瓶颈，并且功耗高；(3)螺线管电磁阀采用直动式衔铁，其抗力学环境能力差。

力矩马达阀可以解决以上螺线管电磁阀的缺点。目前国际上采用力矩马达阀的双组元发动机，都是直接采用MOOG公司的力矩马达阀，力矩马达阀的技术也只掌握在MOOG公司手中。有很多文献介绍过采用MOOG公司力矩马达阀的双组元发动机，如U.Gotzig等人1999年6月在AIAA/SAE/ASME/ASEE 35th Joint Propulsion Conference and Exhibit上发表文章《New Generation 10N Bipropellant MMH/NTO Thruster With Double SeatValve》中介绍了采用MOOG 51-215型双阀座力矩马达阀的10N推力器和采用MOOG 51-131型单阀座力矩马达阀的10N推力器。与螺线管电磁阀的直动式密封挡板不同，力矩马达阀的密封挡板为摆动式，为了解决高可靠摆动密封问题，MOOG力矩马达阀采用弹簧加载式密封结构，其除了利用弹簧管提供的力进行密封外，还必须通过加载微小的螺旋弹簧使阀座应力均匀，这种结构一方面导致其密封结构复杂，密封副零件较多，给装配带来了困难，而且使得阀口处的流道结构复杂，流阻较大，产生多余物风险较大，另一方面螺旋弹簧增加了力矩马达阀的开启阻力，降低了其响应时间。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种采用平面密封形式实现高可靠摆动密封的力矩马达阀结构，直接利用弹簧管变形提供平面密封副的密封力，不但简化了密封副及流道结构，而且降低了力矩马达阀的开启阻力。

本发明的技术解决方案是：一种用于双组元发动机的力矩马达阀，包括力矩马达、衔铁-挡板组件、阀体、入口接头和喷嘴；所述的阀体具有通孔以及与所述通孔连通并垂直相交的盲孔，通孔的一侧与入口接头固定连接，入口接头上设有介质入口；通孔的另一侧与喷嘴固定连接，喷嘴上设有介质出口并与发动机连接；衔铁-挡板组件的一端深入所述盲孔并与喷嘴配合，衔铁-挡板组件的另一端与力矩马达连接；在力矩马达未通电情况下，通过力矩马达自身的永磁力矩使衔铁-挡板组件发生扭曲变形，实现衔铁-挡板组件端部与喷嘴的密封，力矩马达阀关闭；在力矩马达通电情况下，通过力矩马达产生的电磁力矩克服永磁力矩，带动衔铁-挡板组件转动，实现衔铁-挡板组件端部与喷嘴的脱离，力矩马达阀开启。

所述的衔铁-挡板组件包括压环、衔铁、弹簧管、摆杆和挡板；衔铁为十字形结构，十字形结构上设有与所述压环配合的通孔，弹簧管包含依次连接的头段、颈段、中间段及基座段四段圆柱，颈段与压环配合对衔铁进行限位，中间段具有弹性，基座段与阀体固定连接；挡板上设有与喷嘴配合的圆形盲孔，圆形盲孔中安装有密封垫，摆杆的一端伸入弹簧管内部并与头段连接，摆杆的另一端伸入阀体内部并与挡板连接。

所述的衔铁为软磁合金材料，弹簧管和摆杆为弹性合金材料，挡板为不锈钢材料，密封垫为塑料。

所述的力矩马达包括上导磁体、磁钢、线圈和下导磁体，其中上导磁体和下导磁体均为U型板结构并相对布置，包括两个侧面和一个底面，底面中心开有圆形通孔，下导磁体底面中心圆孔比上导磁体中心圆孔大；磁钢和线圈位于上导磁体和下导磁体之间，磁钢的充磁方向为上下充磁，通过线圈是否通入电流来改变力矩方向。

所述的力矩马达和衔铁-挡板组件之间还设有气隙调整垫片，气隙调整垫片的厚度不均匀，使得下导磁体、磁钢和上导磁体发生偏斜。

所述的上导磁体和下导磁体为软磁合金材料，磁钢为永磁材料。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明力矩马达阀将工作气隙处的磁力放大为驱动衔铁-挡板组件运动的力矩，提高了响应速度；

(2)本发明力矩马达阀的衔铁-挡板组件采用十字型衔铁，与两套弹簧管-挡板组件相连，可以控制两路流体的同时开启与关闭，实现双组元发动机氧、燃两路推进剂供给的完全同步；

(3)本发明力矩马达阀采用平面密封形式实现了高可靠的摆动密封，减少了密封副零件数量，简化了密封副和流道结构，降低了流阻及多余物产生的风险；

(4)本发明力矩马达阀直接利用弹簧管变形提供平面密封副的密封力，而弹簧管的变形力又作为阀门开启的动力，加速了力矩马达阀的开启，提高了响应速度。

附图说明

图1为本发明力矩马达阀的三维***图；

图2为本发明力矩马达阀中力矩马达的三维***图；

图3为本发明力矩马达阀中衔铁-挡板组件的三维***图；

图4为本发明力矩马达阀的外形图；

图5为图4中的A-A向视图；

图6为图4中的B-B向视图；

图7为本发明力矩马达阀关闭位置及其磁路结构示意图；

图8为本发明力矩马达阀开启位置及其磁路结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明力矩马达阀的三维***图，主要包括外罩1、力矩马达2、气隙调整垫片3(两个)、衔铁-挡板组件4、阀体5、入口接头6(两个)、喷嘴7(两个)、力矩马达螺钉8(四个)和外罩螺钉9(四个)。其中，外罩1为薄壁中空盖形结构，作用是罩住力矩马达2，起到防尘及保护作用。力矩马达2产生衔铁-挡板组件4摆动的磁力矩。气隙调整垫片3为长条形薄片，在其一侧长边上有开口的U形槽口，其作用是调整力矩马达2的工作气隙(参考图7)。衔铁-挡板组件4作用是将力矩马达2的电磁力矩转化为力矩马达阀开启和关闭的驱动力。阀体5为包括上部矩形板和下部长方体块的T形截面结构，在其上部矩形板的中间开有两个具有四段不同直径的盲孔，在下部长方体块的侧面开有两个通孔，这两个通孔分别与上述两个盲孔垂直相交，阀体5上部矩形板上有共8个螺钉通孔(内外两组，每组成矩形分布)。入口接头6上设有介质入口。喷嘴7上设有介质出口，其一侧为火山口状密封口，用于力矩马达阀自身密封，另一侧为半球型接口，是力矩马达阀与发动机之间的密封接口。力矩马达螺钉8用来将力矩马达2跟阀体5固定在一起。外罩螺钉9用来将外罩1跟阀体5固定在一起。在力矩马达2通电时，产生的电磁力矩驱动衔铁-挡板组件4摆动，实现喷嘴7处流体介质的通断控制，由此完成力矩马达阀的功能。

如图2所示，力矩马达2由上导磁体21、磁钢22(两个)、线圈23(两个)和下导磁体24组成，其中上导磁体21和下导磁体24为软磁合金材料(如1J22软磁合金)，磁钢22为永磁材料(如铝镍钴永磁合金)。上导磁体21和下导磁体24均为U型薄板结构，其两个侧面为梯形结构，底面为矩形结构，底面中心开有圆形通孔，底面四个角上开有四个螺钉通孔，下导磁体24底面中心圆孔比上导磁体21中心圆孔大。磁钢22为长方体结构，在其较窄的对边侧面上开有开放的U形孔，在其较宽的平面中间开有圆弧凹槽，磁钢22的充磁方向为上下充磁。线圈23为长方体结构，且中心有矩形通孔。

如图3所示，衔铁-挡板组件4包括压环41(两个)、衔铁42、弹簧管43(两个)、摆杆44(两个)和挡板45(两个)。压环41为圆环型结构。衔铁42为十字型结构，较短边的两侧对称的开有两个圆形通孔，材料为软磁合金材料。弹簧管43包含四段圆柱，中心为贯穿的圆形通孔，四段圆柱自上而下分别为：头段、颈段、中间段及基座段，其中头段跟衔铁42两侧圆形通孔配合，颈段起到对衔铁42的限位作用，中间段为薄壁筒结构，是弹簧管43的弹性部分，基座段用来跟阀体5进行定位和连接。摆杆44为包含三种直径的圆柱杆。挡板45包含不锈钢骨架和塑料密封垫两部分，不锈钢骨架由一段圆柱和一段长方体组成，圆柱段端面开有圆形盲孔，塑料密封垫就安装在圆形盲孔中，长方体的一个侧面上开有圆形通孔。摆杆44最粗段圆柱用来跟弹簧管43头段内孔配合，摆杆44最细段圆柱用来跟挡板45长方体上的圆柱孔配合。弹簧管43和摆杆44均为弹性合金材料(如3J1弹性合金)。

本发明力矩马达阀的装配过程如下，如图5和图6所示：将两个摆杆44的最细端圆柱分别通过过盈配合***到两个挡板45长方体段的圆形通孔内；将两个摆杆44的最粗段圆柱分别通过两个弹簧管43基座段内孔***，一直插到弹簧管43的头段，保证摆杆44的最粗段圆柱上端面与弹簧管43头段上端面齐平；将两个弹簧管43的基座段分别***到阀体5上部矩形板的两个盲孔内，通过弹簧管43的基座段底面与阀体5上部矩形板盲孔第二个直径底面进行定位，然后通过电子束焊接方式将两个弹簧管43基座端与阀体5焊接在一起。将两片气隙调整垫片3分别放置在阀体5的上部矩形板面上，使两片气隙调整垫片3(左侧厚，右侧薄)的四个U形槽口分别与阀体5上部矩形板上的内部四个螺钉孔重合。将下导磁体24的中心孔从两个弹簧管43头段套入，U形下导磁体24的开口侧朝上，其两个梯形侧面分别在衔铁42长边悬臂下面，使下导磁体24底面的四个螺钉通孔分别与阀体5上部矩形板上的内部四个螺钉孔重合。将衔铁42短边两侧的圆孔分别***两个弹簧管43头段中，并通过弹簧管43头段底面定位，将两个压环41分别通过过盈配合套入两个弹簧管43的头段，将衔铁42跟两个弹簧管43压紧。将两个线圈23分别套入衔铁42长边两侧的悬臂中。将两个尚未充磁的磁钢22分别竖立在下导磁体24的底面两侧，两个磁钢22带圆弧凹槽的面相向放置，两个磁钢22较窄的对边侧面上U形孔分别与下导磁体24底面的四个螺钉通孔重合。将上导磁体21盖在两个磁钢的上面，U形上导磁体21的开口侧朝下，其两个梯形侧面分别在衔铁42长边悬臂上面，并使上导磁体21底面四个角上的螺钉通孔分别与两个磁钢22较窄对边侧面上的U形孔重合。将四个力矩马达螺钉8穿过上导磁体21、磁钢22、下导磁体24、气隙调整垫片3和阀体5的内部四个螺钉孔，将以上5种零件固定在一起。通过外罩1将上导磁体21、磁钢22、下导磁体24和气隙调整垫片3扣在里面，通过四个外罩螺钉9将外罩1固定在阀体5上部矩形板上的外部四个螺钉孔上。将两个入口接头6***到阀体5下部长方体块左侧面的两个孔中，利用电子束焊接方式将两个入口接头6焊接在阀体5上。将两个喷嘴7分别***到阀体5下部长方体块右侧面的两个孔中，利用电子束焊接方式将两个喷嘴7焊接在阀体5上。最后给两个磁钢22沿上下方向100％充磁，完成了如图4所示力矩马达阀的装配。

本发明所提供的力矩马达阀采用永磁偏置力矩来提供平面密封的密封力，具体实现方式如下：

在磁钢22未充磁的情况下，此时衔铁42保持水平状态，挡板45的塑料密封垫的端面处于垂直状态，将喷嘴7装入阀体5中，使喷嘴7左侧火山口状密封口刚好与挡板45的塑料密封面接触，此时喷嘴7轴线与挡板45塑料密封面垂直，利用工装将喷嘴7位置固定。利用左右两个气隙调整垫片3(左侧厚，右侧薄)，使下导磁体24、磁钢22和上导磁体21发生偏斜，目的是使气隙g1和g4大于g2和g3(参考图7)，这时给磁钢22进行上下方向充磁，磁钢22产生的永磁磁通Фp在衔铁42上产生一个逆时针方向的永磁偏置力矩Tc，在永磁偏置力矩Tc作用下，衔铁42发生逆时针方向的转动，一直运动到衔铁42左侧碰到下导磁体24、右侧碰到上导磁体21(如图7所示，此时g2＝g3＝0)。图7所示的状态即为本发明力矩马达阀的关闭位置状态，衔铁42的转动使弹簧管43和摆杆44发生扭曲变形，这种变形通过挡板45压在喷嘴7上就产生了密封力，保证力矩马达阀在关闭位置的可靠密封。这种通过永磁偏置力矩Tc施加密封力的方式，可以保证力矩马达阀在关闭位置时喷嘴7左侧火山口与挡板45塑料密封面始终为垂直接触状态，这使得本发明力矩马达阀可以采用结构简单的平面密封结构实现高可靠摆动密封。

本发明所提供的力矩马达阀可以通过改变磁钢22的宽度(跟充磁方向垂直的方向)来改变磁钢22的磁势，实现两种工作模式的力矩马达阀：一种是单稳态力矩马达阀，磁钢22宽度较小；一种是双稳态力矩马达阀，磁钢22宽度较大。本发明所提供的单稳态力矩马达阀和双稳态力矩马达阀，其开启原理完全相同，只是关闭原理不同：单稳态力矩马达阀不需要线圈通电可以自动关闭，双稳态力矩马达阀需要给线圈通电才能关闭。

本发明提供的力矩马达阀的开启过程如下：

关闭位置如图7所示，线圈23内没有电流，马达阀处于关闭状态，永磁偏置力矩Tc使弹簧管43和摆杆44发生扭曲变形，这种变形通过挡板45压在喷嘴7上就产生了密封力，保证力矩马达阀关闭状态下的阀口密封，切断介质流通。当需要力矩马达阀开启时，给线圈23通电(通电方向如图7所示，衔铁42上方截面为垂直纸面向里，下方截面为垂直纸面向外)，这样线圈23可以在上导磁体21和衔铁42中形成逆时针的电磁磁通Фe，在下导磁体24和衔铁42中形成顺时针的电磁磁通Фe。这样，在气隙g1和g4，电磁磁通Фe和永磁磁通Фp相互叠加，而在气隙g2和g3，电磁磁通Фe和永磁磁通Фp相互消减，使得g1、g4处的磁合力大于g2、g3处的磁合力，最终在衔铁42上产生一个顺时针方向的开启力矩To，带动挡板45脱离喷嘴7，实现力矩马达阀开启，最终到达如图8所示的开启位置。

本发明提供的单稳态力矩马达阀的关闭过程如下：

在线圈23未断电情况下，单稳态力矩马达阀始终处于如图8所示的开启位置。当将线圈23断电后，弹簧管43的扭曲变形使衔铁42受到的逆时针方向力矩大于衔铁42上受到的顺时针永磁力矩，两个力矩合力构成了关闭力矩Tc，使衔铁42沿逆时针方向转动到图7所示的关闭位置。

本发明提供的双稳态力矩马达阀的关闭过程如下：

在线圈23断电后，双稳态力矩马达阀仍然处于如图8所示的开启位置，因为线圈23断电后衔铁42受到的永磁力矩大于弹簧管43扭曲变形产生的力矩。当要关闭双稳态力矩马达阀时，需要给线圈23通跟开启过程方向相反的电流(如图8所示)，这样线圈23可以在上导磁体21和衔铁42中形成顺时针的电磁磁通Фe，在下导磁体24和衔铁42中形成逆时针的电磁磁通Фe。这样，在气隙g2和g3，电磁磁通Фe和永磁磁通Фp相互叠加，而在气隙g1和g4，电磁磁通Фe和永磁磁通Фp相互消减，使得g2、g3处的磁合力大于g1、g4处的磁合力，最终在衔铁42上产生一个逆时针方向的关闭力矩Tc，实现力矩马达阀关闭，最终到达如图6所示的关闭位置。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种用于双组元发动机的力矩马达阀，其特征在于包括：力矩马达(2)、衔铁-挡板组件(4)、阀体(5)、入口接头(6)和喷嘴(7)；所述的阀体(5)具有通孔以及与所述通孔连通并垂直相交的盲孔，通孔的一侧与入口接头(6)通过电子束焊接方式连接，入口接头(6)上设有介质入口；通孔的另一侧与喷嘴(7)通过电子束焊接方式连接，喷嘴(7)上设有介质出口并与发动机连接；衔铁-挡板组件(4)的一端深入所述盲孔并与喷嘴(7)配合，衔铁-挡板组件(4)的另一端与力矩马达(2)连接，衔铁-挡板组件(4)与阀体(5)通过电子束焊接方式连接；所述的力矩马达(2)包括上导磁体(21)、磁钢(22)、线圈(23)和下导磁体(24)，其中上导磁体(21)和下导磁体(24)均为U型板结构并相对布置，包括两个侧面和一个底面，底面中心开有圆形通孔，下导磁体(24)底面中心圆孔比上导磁体(21)底面中心圆孔大；磁钢(22)和线圈(23)位于上导磁体(21)和下导磁体(24)之间，磁钢(22)的充磁方向为上下充磁，通过线圈(23)是否通入电流来改变力矩方向；在力矩马达(2)未通电情况下，通过力矩马达(2)自身的永磁力矩使衔铁-挡板组件(4)发生扭曲变形，实现衔铁-挡板组件(4)端部与喷嘴(7)的密封，力矩马达阀关闭；在力矩马达(2)通电情况下，通过力矩马达(2)产生的电磁力矩克服永磁力矩，带动衔铁-挡板组件(4)转动，实现衔铁-挡板组件(4)端部与喷嘴的脱离，力矩马达阀开启；通过改变磁钢(22)的宽度来改变磁钢(22)的磁势，实现两种工作模式的力矩马达阀：一种是单稳态力矩马达阀，磁钢(22)宽度较小；一种是双稳态力矩马达阀，磁钢(22)宽度较大，所述的宽度沿跟充磁方向垂直的方向。

2.根据权利要求1所述的一种用于双组元发动机的力矩马达阀，其特征在于：所述的衔铁-挡板组件(4)包括压环(41)、衔铁(42)、弹簧管(43)、摆杆(44)和挡板(45)；衔铁(42)为十字形结构，十字形结构上设有与所述压环(41)配合的通孔，弹簧管(43)包含依次连接的头段、颈段、中间段及基座段四段圆柱，颈段与压环(41)配合对衔铁(42)进行限位，中间段具有弹性，基座段与阀体(5)固定连接；挡板(45)上设有与喷嘴(7)配合的圆形盲孔，圆形盲孔中安装有密封垫，摆杆(44)的一端伸入弹簧管(43)内部并与头段连接，摆杆(44)的另一端伸入阀体(5)内部并与挡板(45)连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于双组元发动机的力矩马达阀，其特征在于：所述的衔铁(42)为软磁合金材料，弹簧管(43)和摆杆(44)为弹性合金材料，挡板(45)为不锈钢材料，密封垫为塑料。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于双组元发动机的力矩马达阀，其特征在于：所述的力矩马达(2)和衔铁-挡板组件(4)之间还设有气隙调整垫片(3)，气隙调整垫片(3)的厚度不均匀，使得下导磁体(24)、磁钢(22)和上导磁体(21)发生偏斜。

5.根据权利要求1或2所述的一种用于双组元发动机的力矩马达阀，其特征在于：所述的上导磁体(21)和下导磁体(24)为软磁合金材料，磁钢(22)为永磁材料。