CN107387844B - 一种无摩擦比例阀磁路结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无摩擦比例阀磁路结构，该微型比例电磁阀利用磁性材料B‑H(磁通量密度‑磁感应强度)曲线在低磁通量密度区时斜率小，即电磁力随电流增长速率较低的特点，提出了一种基于大漏磁技术的新型比例阀磁路。不同与传统的比例电磁阀磁路结构，利用大漏磁磁路，该阀不仅完全实现了阀门的无摩擦运动、提高了比例精度、增加了阀门的可靠性，还降低了比例阀对靴状部分加工精度的依耐性，使得比例阀有更好的批次一致性。该结构可用于微流体的比例流量控制，也可提供比例位移输出。

Description

一种无摩擦比例阀磁路结构

技术领域

本发明涉及一种比例阀磁路结构。

背景技术

在微流量比例控制领域，比例电磁阀磁路作为一种比例致动执行器，具有操作方便、控制简单等优点，是一种有着广泛应用的驱动方式。比例阀的本质是使电磁力对位移不敏感，而仅与驱动电压或电流成比例关系，从而使得其与作用在阀芯上的弹簧力平衡。但传统的比例电磁磁路，都是利用旁路漏磁的方法降低电磁力随电流或电压增加的增加速度，达到可以与弹簧力平衡从而比例控制的目的，这种结构使得运动的衔铁阀芯和磁路旁路的间隙较小，其缺点主要包括：电磁阀的性能对极靴形状要求较高。对加工精度有较高要求，在生产中不易保持一致性、不易装配；由于阀芯在运动过程中需通过壁面漏磁，因此阀芯与壁面的间距较小，虽然有些结构通过片形弹簧悬浮了阀芯，但仍有摩擦的风险，容易受环境影响产生摩擦，从而影响产品比例性能；同样是由于漏磁磁路较小，磁路易受变形影响，如一旦由于温度或者操作引起微变形，则整个比例磁路性能会产生较大改变。

申请号为CN201420652237.3的专利公开了用于挖掘机***的PC-EPC的电磁比例阀改良结构，解决了电磁比例阀输出不正常，经常性的卡滞，引起液压泵功率偏大或偏小，使得挖掘机出现经常性的憋车和动作慢的问题。通过对该电磁比例阀阀芯的中间位置设置平衡槽；阀芯的底部设置导向部提高了电磁比例阀工作稳定，灵敏度大大增加，解决了原来易卡滞的问题，使得挖掘机出现经常性的憋车和动作慢的问题得以解决。但是，该结构的电磁阀仍属于有摩擦的比例电磁阀磁路，虽然改善了卡滞现象，但是没有从根本上解决摩擦的问题，但遇到温度、外界力的影响仍存在卡滞风险。

申请号为CN201610044647.3的中国专利公开了一种比例电磁气阀，该阀的螺纹连接件的一端与阀套固定连接；阀嘴连接在阀套的一端；螺纹连接件、阀嘴均位于阀套的同一端；阀嘴上设有径向通孔和与阀套连通的轴向通孔，径向通孔与轴向通孔连通；衔铁滑动配合在阀套内；衔铁的一端能与轴向通孔的内端部相抵以进行密封，衔铁的另一端与电磁挡铁之间设有弹性复位装置；电磁挡铁连接在阀套的另一端；壳体套接在阀套外且壳体与阀套固定连接；电磁线圈设在阀套与壳体之间。如专利中所述，该结构的电磁阀衔铁通过滑动配合，是一种有摩擦电磁阀结构；此外，磁路部分有三角形状，加工的一致性对磁性能影响较大，对加工要求较高。

2013年3期《液压与气动》上，文章《比例电磁阀的特性分析与试验研究》(补充作者)介绍了一种用于变推力液体火箭发动机流量调节的比例阀，对比例电磁铁静态吸力特性、电磁阀阀口流量特性和比例电磁铁动态响应特性进行了研究。该比例阀的不足之处仍然是利用旁路进行磁力调节，衔铁前部有倒角用于极靴结构；不容易加工，且倒角加工一致性对产品批次一致性有较大影响；衔铁仍容易受外界影响与阀体产生摩擦，从而降低比例阀性能。

发明内容

本发明的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，提出一种基于大漏磁技术的无摩擦比例阀磁路结构，结构简单、紧凑、可扩展性强，适用于低功耗、高精度、无摩擦、高可靠、微流量流体控制***，也可作为微小比例致动器提供比例位移输出。

本发明的技术解决方案是：一种无摩擦比例阀磁路结构，包括阀体组件、外导磁体、线圈、引线、阀座、衔铁组件；所述的阀体组件包括阀入口接头端、隔磁环、出口端；入口接头端、出口端均为回转体结构，隔磁环安装在入口接头端端部且安装在出口端端口内；所述的衔铁组件包括非金属密封件、挡板、弹簧、衔铁；非金属密封件安装在挡板一端，衔铁安装在挡板另一端；弹簧套在挡板上，被衔铁压紧；所述外导磁体套在入口接头端上，一端与入口接头端外壁面接触，另一端与出口端端部接触；所述线圈处于外导磁体和入口接头端之间，位于隔磁环一侧；所述引线与线圈两端分别连接，从外导磁体下端出口引出；衔铁组件通过弹簧安装在出口端的内腔中，阀座将衔铁组件压紧；所述阀座出口端固定连接。

还包括垫片，所述垫片安装在弹簧和出口端之间，阀座的端口将弹簧、垫片压在出口端内腔中的台阶结构上。

所述外导磁体、入口接头端、出口端、挡板、衔铁为导磁金属材料；隔磁环为不导磁金属材料。

所述线圈不加电的状态下，衔铁组件中弹簧处于预紧压缩状态。

所述入口接头端端部与衔铁之间存在气隙a，气隙a在衔铁轴向运动方向；所述衔铁与出口端之间存在气隙b，气隙b在衔铁径向。

所述入口接头端沿轴线开有通孔，与出口端的内腔连通。

所述气隙a及气隙b之和大于衔铁工作行程的5倍。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用基于大漏磁设计理念，通过平衡衔铁运动方向气隙及旁路气隙两个尺寸，(磁通量密度-磁感应强度)曲线在低磁通量密度区时斜率小，即电磁力随驱动电流或驱动电压增长速率较低的特点，设计了一种新型磁路。整个工作范围内，磁路的磁通量密度最大值小于0.4T，处于低磁通量密度工作状态。利用电磁阀在大漏磁条件下具有比例特性，同时由于衔铁组件与阀体有着较大间隙，实现了工作过程中的无摩擦，大大的提高了可靠性、寿命、电磁比例性能的稳定性。

(2)本发明的电磁比例阀磁路设计了簧片与衔铁共同组成的衔铁挡板组件，将衔铁挡板组件完全悬浮，开关动作时不与阀体摩擦，性能稳定，一致性好；避免了自污染，开关可靠性高。本发明设计的电磁阀经100万次开关后仍能保证密封性能。

(3)本发明中，由于本磁路的本质是大漏磁条件下的比例电磁结构，影响比例特性的关键在两个气隙尺寸的选择。所以不同于传统的比例电磁阀结构，不再需要依靠靴部结构或者倒角结构来降低电磁力随着驱动电流或者驱动电压的增长速度，使得零件结构简单便于加工，整机便于装配调试，且对于生产控制而言也更容易保证批次一致性。

(4)本发明由于采用大漏磁的磁路结构，衔铁组件中片状弹簧的刚度是同尺寸传统比例阀的3-5倍，因此衔铁组件有更高的位移分辨率及稳定性。其中，位移分辨率能达到1μm。

(5)本发明结构简单、紧凑、可扩展性强；通过研究改进，采用适当磁路结构即可适用于不同工作压力、不同开度要求的比例阀或者比例位移输出应用场合。

附图说明

图1为一种无摩擦比例阀磁路结构示意图；

图2为本发明阀体组件结构示意图；

图3为本发明衔铁组件结构示意图；

图4为本发明磁路路径结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，为本发明无摩擦比例阀磁路结构示意图，一种无摩擦比例阀磁路结构，包括阀体组件1、外导磁体2、线圈3、引线4、垫片5、阀座6、衔铁组件7。

如图2所示，所述的阀体组件1包括入口接头端11、隔磁环12、出口端13；入口接头端11、出口端13均为回转体结构，隔磁环12安装在入口接头端11端部且安装在出口端13端口内，它们通过焊接方式连接在一起；入口接头端11沿轴线开有通孔，与出口端13的内腔连通。阀体组件1是整个电磁阀的骨架，是电磁阀的磁路通路之一。

如图3所示，所述的衔铁组件7包括非金属密封件71、挡板72、弹簧73、衔铁74。非金属密封件71可通过硫化工艺、热压工艺或螺纹或机械压紧的方式和挡板连接在一端，衔铁74安装在挡板72另一端；弹簧73套在挡板72上，被衔铁74压紧，衔铁74与挡板72通过固定连接在一起。为使衔铁组件7悬浮在电磁阀内，利用径向刚度大且对中性好的弹簧73使得组件悬浮起来，弹簧73为片状弹簧。这种悬浮支撑方式使得衔铁组件7不与电磁阀内壁摩擦，因而具有性能稳定，开关可靠性和密封可靠性高、抗污染能力强的优点。

外导磁体2在阀体组件1的***，是磁路通道之一。外导磁体2套在入口接头端11上，一端与入口接头端11外壁面接触，另一端与出口端13端部接触，外导磁体2与入口接口端11通过螺钉连接；线圈3处于外导磁体2和入口接头端11之间，位于隔磁环12一侧，线圈3是围绕阀体组件绕制而成；引线4与线圈3两端分别连接，从外导磁体2下端出口引出；衔铁组件7通过弹簧73安装在出口端13的内腔中，阀座6将衔铁组件7压紧；所述阀座6出口端13固定连接。垫片5安装在弹簧73和出口端13之间，阀座6的端口将弹簧73、垫片5压在出口端13内腔中的台阶结构上。

线圈3不加电的状态下，衔铁组件7中弹簧73处于预紧压缩状态。

阀体组件1、外导磁体2、线圈3、引线4、垫片5、阀座6、挡板72、弹簧73、衔铁74材料为金属；非金属密封件71为非金属；其中，外导磁体2、阀体组件-入口接头端11、阀体组件-出口端13、挡板72、衔铁74为导磁金属材料；阀体组件-隔磁环12为不导磁金属材料。

入口接头端11端部与衔铁74之间存在气隙a 8，气隙a 8在衔铁7轴向运动方向；所述衔铁74与出口端13之间存在气隙b 9，气隙b 9在衔铁7径向。气隙a 8及气隙b 9之和大于衔铁74工作行程的5倍。

如图4所示，本发明的磁路10经过外导磁体2、阀体导磁材料-入口接头端11、气隙a8、衔铁74、气隙b 9、阀体导磁材料-、阀体组件-出口端13、外导磁体2闭合。

如图4所示，本发明是一种基于大漏磁设计理念的新型比例磁路。通过平衡衔铁运动方向气隙及旁路气隙两个尺寸----气隙a 8及气隙b 9，使得比例电磁阀在工作时磁通量密度最大值小于0.4T，处于低磁通量密度工作状态。

通过分析公式：可知，如果使得B_δ ²随位移的增加速度较慢，则可使磁通量密度对位移不敏感。此时电磁力仅与驱动电压或电流成比例关系，从而使得其与作用在阀芯上的弹簧力平衡，通过控制电压或电流就可以得到相应的位移。

式中：F为电磁铁吸力；B_δ为工作气隙磁通量密度；A为衔铁74的吸合面积；μ₀表示空气磁导率：μ₀＝1.257×10^-6H/m。

安装时，首先将线圈3绕制在阀体组件1的入口接头端11上，并通过焊接连接上引线4；然后将外导磁体2安装在入口接头端11的***并紧固；阀体组件1中出口端13设有空腔，接着将衔铁组件7放入出口端13的空腔中，并通过垫片5调节气隙a 8的大小，气隙b 9的大小则通过设计尺寸和加工保证；注意垫片5位于衔铁组件7和出口端13内腔的台阶结构之间，最后通过阀座6将衔铁组件7、垫片5压在出口端13的内腔中。阀座6压紧衔铁组件7后与出口端13固接。这样组成完整的无摩擦比例阀磁路结构。

无摩擦比例阀磁路结构的工作过程如下：线圈4不加电的状态下，衔铁组件7中弹簧73处于压缩状态。当电磁阀引线4建立工作电压或工作电流时，由于螺线管线圈3为感性元件，线圈3中电流按指数规律增大，电磁阀磁路的磁场强度增加，作用在衔铁组件7的磁场力增大。当磁场力能够克服弹簧73的力时，衔铁74开始运动，阀口打开。由于这是一种基于大漏磁设计理念的新型比例磁路，在工作过程中，磁通量密度在很小的范围内变化，对电磁力的影响很小，因此磁通量密度对衔铁组件位置的变化不敏感，磁通量密度和驱动工作电压或工作电流成一定比例关系，因此由于电压或电流增加引起的电磁力可以通过弹簧73增大变形来平衡，并稳定在一个特定的位置上；当比例电磁阀减少电压或电流时，线圈电流下降导致衔铁组件7磁通量密度降低，同样的道理，磁通量密度对衔铁组件位置的变化不敏感，磁通量密度和驱动工作电压或工作电流成一定比例关系，因此由于电压或电流增加引起的电磁力可以通过弹簧73减少变形来平衡，并稳定在一定的位置上。当驱动电压或电流降至0后，比例驱动器的输出也将回归至零位，在弹簧73的作用下实现复位。

不同与传统的比例电磁阀磁路结构，本发明利用大漏磁磁路，该阀不仅完全实现了阀门的无摩擦运动、提高了比例精度、增加了阀门的可靠性，还降低了比例阀对靴状部分加工精度的依耐性，使得比例阀有更好的批次一致性。本发明中描述的仅仅是实例之一，基于此原理，通过采用适当磁路结构即可适用于不同工作压力、不同开度要求的比例阀或者比例位移输出应用场合。最后，该结构可用于微流体的比例流量控制，也可提供比例位移输出。

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 (6)

1.一种无摩擦比例阀磁路结构，其特征在于，包括阀体组件(1)、外导磁体(2)、线圈(3)、引线(4)、阀座(6)、衔铁组件(7)；所述的阀体组件(1)包括阀入口接头端(11)、隔磁环(12)、出口端(13)；入口接头端(11)、出口端(13)均为回转体结构，隔磁环(12)安装在入口接头端(11)端部且安装在出口端(13)端口内；所述的衔铁组件(7)包括非金属密封件(71)、挡板(72)、弹簧(73)、衔铁(74)；非金属密封件(71)安装在挡板(72)一端，衔铁(74)安装在挡板(72)另一端；弹簧(73)套在挡板(72)上，被衔铁(74)压紧；所述外导磁体(2)套在入口接头端(11)上，一端与入口接头端(11)外壁面接触，另一端与出口端(13)端部接触；所述线圈(3)处于外导磁体(2)和入口接头端(11)之间，位于隔磁环(12)一侧；所述引线(4)与线圈(3)两端分别连接，从外导磁体(2)下端出口引出；衔铁组件(7)通过弹簧(73)安装在出口端(13)的内腔中，阀座(6)将衔铁组件(7)压紧；所述阀座(6)出口端(13)固定连接；

所述入口接头端(11)端部与衔铁(74)之间存在气隙a(8)，气隙a(8)在衔铁(7)轴向运动方向；所述衔铁(74)与出口端(13)之间存在气隙b(9)，气隙b(9)在衔铁(7)径向。

2.根据权利要求1所述的一种无摩擦比例阀磁路结构，其特征在于，还包括垫片(5)，所述垫片(5)安装在弹簧(73)和出口端(13)之间，阀座(6)的端口将弹簧(73)、垫片(5)压在出口端(13)内腔中的台阶结构上。

3.根据权利要求1或2所述的一种无摩擦比例阀磁路结构，其特征在于，所述外导磁体(2)、入口接头端(11)、出口端(13)、挡板(72)、衔铁(74)为导磁金属材料；隔磁环(12)为不导磁金属材料。

4.根据权利要求1或2所述的一种无摩擦比例阀磁路结构，其特征在于，所述线圈(3)不加电的状态下，衔铁组件(7)中弹簧(73)处于预紧压缩状态。

5.根据权利要求1所述的一种无摩擦比例阀磁路结构，其特征在于，所述入口接头端(11)沿轴线开有通孔，与出口端(13)的内腔连通。

6.根据权利要求1所述的一种无摩擦比例阀磁路结构，其特征在于，所述气隙a(8)及气隙b(9)之和大于衔铁(74)工作行程的5倍。