CN112065797A - 基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀 - Google Patents
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Abstract
基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀，包括依次同轴连接的二维半桥式换向阀本体、永磁式环形气隙磁悬浮联轴节和直动线性电‑机械转换器；永磁式环形气隙磁悬浮联轴节本体包括相互连接的左端盖、右端盖底座，推杆组件上连接复位弹簧机构；内动子可旋转地置于外动子的两侧的第一斜面槽之间；同一侧的外动子的第一斜面槽和内动子第二斜面槽的相互平行，第一斜面槽的内侧与第二斜面槽的外侧相对，外动子磁片与内动子磁片以异磁性面相对的方式设置，外动子磁片与内动子磁片相对的一面是同心的圆柱弧面，外动子磁片与内动子磁片间的弧形气隙形成驱动2D阀芯转动的工作气隙。本发明能够减小工作气隙，使用更小的磁片即产生到较大转矩。
Description
技术领域
本发明属于流体传动及控制领域中电液比例控制技术用的流量和换向控制阀，尤其涉及一种基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀。
背景技术
电液伺服控制技术自上世纪四十年代出现以来，便以其功率重量比高、输出力(力矩)大和静动态特性优异等显著特点在机电传动与控制技术中占据了高端位置，重点应用于航空航天、军用武器、船舶、大型电站、钢铁等各种战略工业场合，从而取得了巨大成功。但电液伺服阀对油液污染极其敏感、应用和维护条件苛刻，加上追求零位特性以满足闭环控制的要求，对关键零部件的加工和装配精度要求十分严苛，较难被工业界接受，人们普遍希望能有一种性能可靠、物美价廉、控制精度和响应特性均能满足工业控制***实际需要的控制技术，在此背景下电液比例控制技术应运而生。1967年瑞士布林格尔(Beringer)公司首次将比例式电-机械转换器(比例电磁铁)用于工业液压阀，生产出的KL型比例换向阀被认为是世界上最早的比例阀。到了二十世纪七、八十年代，由于压力、流量、位移和动压等各种反馈和电校正手段的应用，比例阀的静动态特性大大提高，加之与最新的插装技术深度融合，电液比例控制技术进入了一个黄金时代。发展到今天，几乎所有的传统流量、压力和换向阀，都可以找到对应的电液比例阀产品，其在工业生产中获得了越来越广泛的应用。
比例换向阀要求实现对阀芯的位移(位置)进行连续的比例定位控制，最简单的方式就是通过弹簧将比例电磁铁输出的推力线性地转换为阀芯的位移，这也是单级或直动比例换向阀或流量阀的基本工作原理。然而，油液流经阀口由于伯努利效应，会对阀芯作用一个液动力(也称为伯努利力)，该力的大小与阀口的开口面积和压降乘积成正比，因而直动比例阀随着阀口压差的增大，阀的比例特性明显变差，甚至出现随着阀口压差增加，通过比例阀的流量反而减小的不正常现象。因而，按照电磁铁推力与弹簧力相平衡控制阀芯位置的原理只适用于小流量的比例阀，实际应用的最大工作流量一般在15L/min(最大工作压力为21MPa)以下。此外，为了实现轴向静压力的平衡，直动式比例换向阀或流量阀皆采用滑阀结构，容易受到摩擦力及油液污染的影响出现“卡滞”现象。直动式比例换向阀或流量阀如果要获得较好比例特性，阀芯与阀芯孔之间的配合必须达到较高精度，尤其是对摩擦力较为敏感的圆柱度。比如国外某公司φ6通径比例阀阀芯的精度，圆柱度在1微米以内，如此高的圆柱度已同伺服阀阀芯的精度要求相近，国内普通液压件生产厂家难以做到，这也是国产的直动比例换向阀性能不理想的主要原因之一。采用线性位移传感器(LVDT)对阀芯位置进行测量和闭环控制，构成电反馈型直动比例换向阀，可以在很大程度上提高阀芯的定位刚度和控制精度，最终使电反馈直动比例阀可以像伺服阀那样应用于液压***的闭环控制(这种阀称为比例伺服阀)，但终因受到磁饱和限制，比例电磁铁输出力有限，无法从根本上解决高压、大流量下液动力的影响问题，在高压(压差大)和大流量的工作状态下仍然会出现流量饱和现象。
消除液动力影响、提高液压阀的过流能力，最根本的办法是采用导控(先导控制)技术。早在1936年美国工程师Harry Vickers为了解决因液动力影响直动溢流阀无法实现高压、大流量***的压力控制问题发明了导控溢流阀，其基本思想是采用一通径较小的导阀控制静压力，驱动主阀芯运动，因该液压推力比油液流经阀口时所产生液动力大得多，足以消除其对主阀芯运动与控制产生的不利影响。导控的思想后来被广泛地应用于其它液压阀的设计，使液压***高压、大流量控制成为了现实。后来的各种电液伺服控制元件也是沿用了先导控制的设计思想，其中也包括了电液比例阀。
在众多的导控级结构创新之中，基于阀芯双运动自由度(Two Dimensional，2D或二维)设计的流量放大机构将原本分立的导控级和功率级合二为一，集成于单个阀芯上，不但结构简单、动态响应快，更重要的是阀的抗污染能力得到了极大的提高。阮健等提出一种直动-导控一体化的2D电液比例换向阀，通过压扭放大技术将2D阀与比例电磁铁相结合，使其兼具直动和导控电液比例换向阀各自的优点，加之抗污染能力强，对加工精度无特殊的高要求，具有很好的大规模生产与应用的前景。该阀的主要问题在于起到压扭放大作用的压扭联轴节为一滚轮斜面机械机构，其存在摩擦力和装配间隙等非线性环节，对于电液比例阀的线性度、重复度和滞环等静态特性会造成较大的影响。
为了解决传统的2D电液比例换向阀的机械式压扭联轴器对其线性度、重复度和滞环等静态特性所造成的影响，孟彬等提出一种磁悬浮联轴节式电液伺服比例阀，通过磁悬浮联轴节与比例电磁铁相结合达到压扭放大的目的。磁悬浮联轴节的输入端与输出端是不接触的，通过磁排斥力来进行传动扭矩。这样就避免了固有的间隙、摩擦磨损对阀的线性度、重复度和滞环等静态特性带来的影响。由于磁悬浮联轴节式二维比例阀的阀芯行程有±2mm，这使得磁悬浮联轴节得磁排斥力工作气隙无法缩小至很小(客观物理现象：磁力大小随着工作气隙的减小呈指数型增加)。而驱动阀芯转动需要较大的扭矩，这样必须设计大尺寸的永磁体进行扭矩传递工作，这就限制了功率重量比的的进一步提升。另外，大磁排斥力会导致整个磁悬浮联轴节的装配过程很困难。磁悬浮联轴节式二维比例阀的阀体是板式阀体，其流通能力不高、模块化程度低、自动化程度低等不足。
发明内容
为了解决磁悬浮联轴节式电液伺服比例阀中存在的问题：1.磁悬浮联轴节无法做到极小的工作气隙；2.阀体是板式阀体，导致其流通能力不高、模块化程度低、自动化程度低等不足。本发明提供一种基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀。
本发明的基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀，包括包括依次同轴连接的二维(2D)半桥式换向阀本体、永磁式环形气隙磁悬浮联轴节和直动线性电-机械转换器1。
直动线性电-机械转换器1的输出端连接推杆组件的一端，推杆组件的另一端连接外动子4；
本发明所述的纵向是指与中心轴平行的方向，本发明所述的同轴是共中心轴，本发明所称的外侧是指部件的远离中心轴的一侧，内侧是部件的靠近中心轴的一侧，同轴是指纵向中心轴在同一直线上，正向是指在中心轴上沿直动线性电-机械转换器1的输出的方向，反向是指上述正向的相反方向。
所述的永磁式环形气隙磁悬浮联轴节本体包括相互连接的左端盖2、右端盖底座3，推杆组件上套有左弹簧座13、右弹簧座16，左弹簧座13、右弹簧座16之间设有弹簧14，左弹簧座13、右弹簧座16的轴向位置分别受限于左端盖2、右端盖底座3，推杆组件的第一轴肩沿正向抵靠左弹簧座13，推杆组件的第二轴肩沿反向抵靠右弹簧座16；
外动子4大致呈U形，第一连杆的两侧各连接一个第一斜面槽，第一连杆垂直于中心轴，第一连杆上的第一中心螺纹孔位于中心轴上；第一斜面槽位于与中心轴平行的平面上，且与纵向成倾角β，两侧的第一斜面槽且均呈以垂直于中心轴180°阵列特征；第一斜面槽内安装外动子磁片18；为了使外动子4只能作水平直线运动，直线轴承17套在外动子4的圆柱上并安装于右端盖底座3；
内动子5可旋转地置于外动子4的两侧的第一斜面槽之间，包括垂直于中心轴的第二连杆，第二连杆安装在阀芯8的一端；内动子5两侧各设置一个第二斜面槽，第二斜面槽位于与中心轴平行的平面上，且与纵向成倾角β；两侧的第二斜面槽且均呈以垂直于中心轴180°阵列特征，第二斜面槽内安装内动子磁片19；
同一侧的第一斜面槽和第二斜面槽的相互平行，第一斜面槽的内侧与第二斜面槽的外侧相对，外动子磁片18与内动子磁片19以异磁性面相对的方式设置，外动子磁片18与内动子磁片19相对的一面是同心的圆柱弧面，外动子磁片18与内动子磁片19间的弧形气隙形成驱动阀芯8转动的工作气隙。
所述的二维(2D)半桥式换向阀本体是由2D阀芯8和插装阀阀体9所组成的2D阀，插装阀阀体9的一端安装有螺纹端盖6，另一端通过圆柱堵头10来封口。2D阀芯8可转动并可轴向移动地设置在插装阀阀体9内孔中。插装阀阀体9内孔上依次开有T口、A口、P口、B口、T口，其中P口为进油口，此处压力为***压力。2D阀芯8中部上设有一个高压孔b和两个台肩，两个中部台肩分别位于A口和B口上方。2D阀的2D阀芯8和内动子5通过紧定螺钉进行连接。推杆12安装于直动线性电-机械转换器1和永磁式环形气隙磁悬浮联轴节之间，其主要起到力的传递作用。此外，在2D阀芯8上开设了与P口相通的左高压圆形孔a和右高压矩形槽c，还开设了与T口相通的右低压矩形槽d。在插装阀阀体9的右边内孔壁上开设一条与右敏感腔f相通的右感受通道g。右高压矩形槽c、右低压矩形槽d和T口构成了液压阻力桥。液压阻力桥控制2D阀芯8右两侧敏感腔f的压力。左高压腔e是由同心环7和2D阀芯8的左端第二台肩所形成的密闭容腔，右敏感腔f是由圆柱堵头10和2D阀芯8的的右端部所形成的密闭容腔。
优选地，所述的弹簧组件包括：推杆组件包括相互螺接的推杆12和螺纹连接杆15，推杆12连接线性电-机械转换器1的输出端，螺纹连接杆15连接外动子的中心螺孔，第一轴肩在推杆12上，第二轴肩在螺纹连接杆15上。
优选地，左高压腔e的受力面积是右敏感腔f的1/2。
磁吸引力使得内动子5与外动子4处于同一平面，外动子磁片18与内动子磁片19相对的一面分别是一个同心的圆柱弧面，外动子磁片18的圆柱弧面半径R1大于内动子磁片19的圆柱弧面半径R2，这样的几何关系使得外动子磁片18与内动子磁片19的环形气隙(气隙＝R1-R2)可以缩小到很小(理论情况下气隙可以做到趋近于零)。永磁体之间气隙大小对于磁力的影响很大，气隙越小磁力越大，呈指数型关系。外动子4的斜面槽和内动子5的斜面槽都有相同的倾角β，且均呈以垂直于外动子4中心螺纹孔的中心轴180°阵列特征，内动子5可旋转地置于外动子4的中间位置，可旋转一定角度。
左端盖2、右端盖底座3、左弹簧座13、弹簧14和右弹簧座16组成了弹簧复位机构。左端盖2和右端盖底座3通过内六角螺钉进行连接固定，将弹簧14、左弹簧座13和右弹簧座16封闭其中。另外，直动线性电-机械转换器1的推杆12台肩与左弹簧座13贴紧，推杆12与螺纹连接杆15螺纹连接，螺纹连接杆15的台肩与右弹簧座16贴紧，螺纹连接杆15与外动子4是螺纹连接。当直动线性电-机械转换器1正向运动时，螺纹连接杆15推动左弹簧座13正向运动。同时，推杆12也推动外动子4与螺纹连接杆15正向运动。上述动作导致弹簧14被压缩。当处于通电状态的直动线性电-机械转换器1断电，弹簧14使得左弹簧座13反向运动，左弹簧座13拉动推杆12、外动子4与螺纹连接杆15反向运动。上述动作使得弹簧14恢复原来的状态，推杆12、外动子4与螺纹连接杆15重新回到原来的位置，右弹簧座16与右端盖底座3贴紧，左弹簧座13与左端盖2贴紧。当直动线性电-机械转换器1正向运动时，推杆12拉动外动子4与螺纹连接杆15正向运动。同时，螺纹连接杆15推动右弹簧座16正向运动。上述动作导致弹簧14被压缩。当处于通电状态的直动线性电-机械转换器1断电，弹簧14使得右弹簧座16正向运动，右弹簧座16推动推杆12、外动子4与螺纹连接杆15正向运动。上述动作使得弹簧14恢复原来的状态，推杆12、外动子4与螺纹连接杆15重新回到原来的位置，右弹簧座16与右端盖底座3贴紧，左弹簧座13与左端盖2贴紧。其主要实现直动线性电-机械转换器1的输出力与位移的转换，并起消除间隙和零位对中(直动线性电-机械转换器1不通电时，导控桥路转动对中，主阀轴向开口处于零位对中状态)的作用。
本发明的有益效果主要表现在：
1、本发明所设计的基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀，其中永磁式环形气隙磁悬浮联轴节工作磁片(外动子磁片18与内动子磁片19)的相对工作面分别是一个同心的圆柱弧面(如图6(a)所示)。这样的环形气隙设计可以使得两片磁片的工作面之间间隙可以缩小到几乎为零。(客观物理现象：磁力大小随着工作气隙的减小呈指数型增加)在本方案，使用更小的磁片即产生到较大转矩。这使整个阀在简化结构、降低成本的同时大大提高了功率重量比。
2、本发明所设计的基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀，其永磁式环形气隙磁悬浮联轴节创新地使用了非接触式异性磁极的力传递方案。由于此方案当中输入的力是靠吸引磁力无接触地传递给阀芯，这使得整个运动过程无摩擦、无磨损、高速度、高精度,从根本上避免了阀的线性度、重复度和滞环等静态特性带来的影响。
3、本发明所设计的单基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀，其永磁式环形气隙磁悬浮联轴节可以实现压扭放大，即将音圈电机所产生的轴向推力转换成的切向力进行放大，与二维(2D)半桥式换向阀本体连接使用，可以实现比例控制的功能。
4、本发明所设计的基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀，其二维(2D)半桥式换向阀本体被设计成插装阀。这使得整个发明具有高流通能力、高模块化、高自动化等优点。
5、本发明所设计的基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀，采用阀芯双自由度的二维流量放大机构，将导控级与功率级集成于单个阀芯上，在简化结构、降低加工成本的同时大大提高了功率重量比。
附图说明
图1是本发明的装配示意图；
图2是本发明的三维建模示意图；
图3是本发明的永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的外动子4与内动子5装配示意图；
图4是本发明的外动子4的结构示意图；
图5是本发明的内动子5的结构示意图；
图6(a)～图6(d)是本发明的外动子磁片18与内动子磁片19的基本尺寸及空间几何关系三视图,其中图6(a)是主视图，图6(b)是左视图，图6(c)是俯视图，图6(d)是轴侧视图；
图7(a)～图7(b)是本发明的外动子磁片18水平移动前后，外动子磁片18与内动子磁片19的空间几何关系三视图，图7(a)是外动子磁片18水平移动前的外动子磁片18与内动子磁片19空间几何关系三视图，图7(b)是外动子磁片18水平移动后外动子磁片18与内动子磁片19空间几何关系三视图；
图8(a)是本发明的外动子磁片18与内动子磁片19的充磁方向示意图,图8(b)是图8(a)的局部放大图；
图9是本发明的永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的磁路图；
图10(a)～图10(e)是基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀的驱动力与运动分解示意图，其中，图10(a)为基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀初始平衡状态的示意图，图10(b)为音圈电机输出力给外动子4后外动子磁片18与内动子磁片19产生错位的示意图，图10(c)为基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀的内动子5受到外动子磁片18与内动子磁片19错位产生的扭矩而带动2D阀芯8发生旋转的示意图，图10d为基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀的2D阀芯8受到敏感腔f与高压腔e之间压差而产生轴向位移的示意图，图10e基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀的内动子5受到外动子磁片18与内动子磁片19错位产生的扭矩而带动2D阀芯8发生旋转回到平衡状态的示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1～图10所示，一种基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀，基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀，包括二维(2D)半桥式换向阀本体、直动线性电-机械转换器1和永磁式环形气隙磁悬浮联轴节。
所述的永磁式环形气隙磁悬浮联轴节本体包括左端盖2、右端盖底座3、外动子4、内动子5、左弹簧座13、弹簧14、螺纹连接杆15、右弹簧座16、直线轴承17、外动子磁片18和内动子磁片19，其中为了使外动子4只能作水平直线运动，直线轴承17套在外动子4的圆柱上并安装于右端盖底座。外动子4两侧各有用于安装外动子磁片18的斜面槽，且均呈以垂直于外动子4中心螺纹孔的中心轴180°阵列特征。外动子4的斜面槽表面贴有外动子磁片18。内动子5两侧各有用于安装内动子磁片19的斜面槽，内动子5的斜面槽与外动子4的斜面槽角度相同且斜面平行。内动子5与2D阀芯8固定连接。外动子磁片18与内动子磁片19是以异磁性面相对安装的(其安装情况如图3)，而该磁吸引力使得内动子5与外动子4处于同一平面(其磁力线走向情况如图9所示)。如图6(a)所示，外动子磁片18与内动子磁片19相对的一面分别是一个同心的圆柱弧面，外动子磁片18的圆柱弧面半径R1大于内动子磁片19的圆柱弧面半径R2，这样的几何关系使得外动子磁片18与内动子磁片19的环形气隙(气隙＝R1-R2)可以缩小到很小(理论情况下气隙可以做到趋近于零)。永磁体之间气隙大小对于磁力的影响很大，气隙越小磁力越大，呈指数型关系。外动子4的斜面槽和内动子5的斜面槽都有相同的倾角β，且均呈以垂直于外动子4中心螺纹孔的中心轴180°阵列特征，内动子5可旋转地置于外动子4的中间位置，可旋转一定角度。
另外，左端盖2、右端盖底座3、左弹簧座13、弹簧14和右弹簧座16组成了弹簧复位机构。弹簧14安装在左弹簧座13和右弹簧座16之间。左弹簧座13和右弹簧座16可水平直线运动地安装在左端盖2和右端盖底座3之间。左端盖2和右端盖底座3通过内六角螺钉进行连接固定，将弹簧14、左弹簧座13和右弹簧座16封闭其中。右端盖底座3通过内六角螺钉与螺纹端盖6连接。另外，直动线性电-机械转换器1的推杆12台肩与左弹簧座13贴紧，推杆12与螺纹连接杆15螺纹连接，螺纹连接杆15的台肩与右弹簧座16贴紧，螺纹连接杆15与外动子4是螺纹连接。当直动线性电-机械转换器1向右运动时，螺纹连接杆15推动左弹簧座13向右运动。同时，推杆12也推动外动子4与螺纹连接杆15向右运动。上述动作导致弹簧14被压缩。当处于通电状态的直动线性电-机械转换器1断电，弹簧14使得左弹簧座13向左运动，左弹簧座13拉动推杆12、外动子4与螺纹连接杆15向左运动。上述动作使得弹簧14恢复原来的状态，推杆12、外动子4与螺纹连接杆15重新回到原来的位置，右弹簧座16与右端盖底座3贴紧，左弹簧座13与左端盖2贴紧。当直动线性电-机械转换器1向左运动时，推杆12拉动外动子4与螺纹连接杆15向左运动。同时，螺纹连接杆15推动右弹簧座16向左运动。上述动作导致弹簧14被压缩。当处于通电状态的直动线性电-机械转换器1断电，弹簧14使得右弹簧座16向右运动，右弹簧座16推动推杆12、外动子4与螺纹连接杆15向右运动。上述动作使得弹簧14恢复原来的状态，推杆12、外动子4与螺纹连接杆15重新回到原来的位置，右弹簧座16与右端盖底座3贴紧，左弹簧座13与左端盖2贴紧。其主要实现直动线性电-机械转换器1的输出力与位移的转换，并起消除间隙和零位对中(直动线性电-机械转换器1不通电时，导控桥路转动对中，主阀轴向开口处于零位对中状态)的作用。
所述的二维(2D)半桥式换向阀本体是由2D阀芯8和插装阀阀体9所组成的2D阀，插装阀阀体9的一端安装有螺纹端盖6，另一端通过圆柱堵头10来封口。2D阀芯8可转动并可轴向移动地设置在插装阀阀体9内孔中。插装阀阀体9内孔上依次开有T口、A口、P口、B口、T口，其中P口为进油口，此处压力为***压力。2D阀芯8中部上设有一个高压孔b和两个台肩，两个中部台肩分别位于A口和B口上方。2D阀的2D阀芯8和内动子5通过紧定螺钉进行连接。推杆12安装于直动线性电-机械转换器1和永磁式环形气隙磁悬浮联轴节之间，其主要起到力的传递作用。此外，在2D阀芯8上开设了与P口相通的左高压圆形孔a和右高压矩形槽c，还开设了与T口相通的右低压矩形槽d。在插装阀阀体9的右边内孔壁上开设一条与右敏感腔f相通的右感受通道g。右高压矩形槽c、右低压矩形槽d和T口构成了液压阻力桥。液压阻力桥控制2D阀芯8右两侧敏感腔f的压力。左高压腔e是由同心环7和2D阀芯8的左端第二台肩所形成的密闭容腔，右敏感腔f是由圆柱堵头10和2D阀芯8的的右端部所形成的密闭容腔。左高压腔e的受力面积是右敏感腔f的1/2。
基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀的直动线性电-机械转换器1所选用的是目前市场上成熟的商用产品，永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的主要作用是将直动线性电-机械转换器1产生的轴向推力转换为切向力，并放大，驱动2D阀芯8转动，使得其转角在±3°以内，平动位移在±2mm之内。
本发明实施的工作原理分解为图10(a)、10(b)、10(c)、10(d)、10(e)所示，具体工作时图10(a)、10(b)、10(c)、10(d)、10(e)的工作状态是同时连续进行的。首先，左敏感腔e端的阀芯受力面积是右敏感腔f端的阀芯受力面积的一半。如图10(a)，当基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀的直动线性电-机械转换器1都不通电时，左敏感腔e油液压力是右敏感腔f油液压力的两倍(由于左高压腔e的受力面积是右敏感腔f的1/2，为了保持阀芯的力平衡)。右敏感腔f的油液压力是通过调整右高压矩形槽c、右低压矩形槽d和T口构成的液压阻力桥得到。同时，由于内动子5与外动子4处于初始平衡位置，外动子磁片18和内动子磁片19产生的磁吸力使得两个磁片稳定在同一平面。此时A口、B口、P口、T口互不相通。如图10(b)，当基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀左端的直动线性电-机械转换器1通电移动xi时，其产生向右的电磁推力使得外动子4带动外动子磁片18水平向右移动xi。由于外动子磁片18的右移，外动子磁片18和内动子磁片19产生错位。错位导致外动子磁片18和内动子磁片19之间的磁吸力F(F1是内动子磁片19受到外动子磁片18的磁吸力，F2是外动子磁片18受到内动子磁片19的磁吸力，F1与F2大小相等，方向相反)会产生一个切向的分力Fy(F1y是内动子磁片19受到外动子磁片18的磁吸力产生的切向力，F2y是外动子磁片18受到内动子磁片19产生的磁吸力的切向力，F1y与F2y大小相等，方向相反)。内动子5受到切向力F1y形成一个逆时针的转矩(视角垂直于阀芯右端面的逆时针转矩)。内动子5将会带动2D阀芯8进行逆时针旋转。如图10(c)，在2D阀芯8逆时针旋转了一定角度之后，右低压矩形槽d与右敏感通道g连通，导致右敏感腔f的油液压力远远小于左高压腔e的油液压力。此压差使得2D阀芯8受到向右的轴向力。此轴向力将会带动2D阀芯向右水平移动。如图10(d)，2D阀芯向右水平移xo之后，P口与B口相通，T口与A口相通。此时，外动子磁片18和内动子磁片19存在错位。错位导致外动子磁片18和内动子磁片19之间的磁吸力F(F4是内动子磁片19受到外动子磁片18的磁吸力，F3是外动子磁片18受到内动子磁片19的磁吸力，F3与F4大小相等，方向相反)会产生一个切向的分力Fy(F4y是内动子磁片19受到外动子磁片18的磁吸力产生的切向力，F3y是外动子磁片18受到内动子磁片19产生的磁吸力的切向力，F3y与F4y大小相等，方向相反)。内动子5受到切向力F4y形成一个顺时针的转矩(视角垂直于阀芯右端面的顺时针转矩)。内动子5将会带动2D阀芯8进行顺时针旋转。如图10(e)，2D阀芯8顺时针旋转一定角度，使得内动子5与外动子4回到初始平衡位置，外动子磁片18和内动子磁片19产生的磁吸力使得两个磁片稳定在同一平面。整个基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀不再运动并保持稳定工作。当直动线性电-机械转换器1反向运动时，情况正好相反。在基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀的直动线性电-机械转换器1断电之后，直动线性电-机械转换器1不再产生推力，使得永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的外动子4向相反方向(即运动方向与通电时外动子4运动方向相反)水平轴向移动。由于外动子4的移动，永磁式环形气隙磁悬浮联轴节也开始工作，产生相应的轴向驱动力和转矩，这使得2D阀芯8与内动子5回到最初的位置。需要特别指出的是，在阀的P口的压力为零(与T口压力相等)的工况下，将无法借助二维换向阀控制右端敏感腔g的压力从而驱动阀芯轴向移动。但当阀腔内无油液流动，2D阀芯8不受液动力和卡紧力的影响，2D阀芯8可由直动线性电-机械转换器1所产生的电磁推力直接驱动，这时，基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀的工作原理与直动式比例阀一致。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (3)
1.基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀，其特征在于：包括依次同轴连接的二维(2D)半桥式换向阀本体、永磁式环形气隙磁悬浮联轴节和直动线性电-机械转换器(1)；
直动线性电-机械转换器(1)的输出端连接推杆组件的一端，推杆组件的另一端连接外动子(4)；
纵向是指与中心轴平行的方向，外侧是指部件的远离中心轴的一侧，内侧是部件的靠近中心轴的一侧，同轴是指纵向中心轴在同一直线上，正向是指在中心轴上沿直动线性电-机械转换器(1)的输出的方向，反向是指上述正向的相反方向；
所述的永磁式环形气隙磁悬浮联轴节本体包括相互连接的左端盖(2)、右端盖底座(3)，推杆组件上套有左弹簧座(13)、右弹簧座(16)，左弹簧座(13)、右弹簧座(16)之间设有弹簧(14)，左弹簧座(13)、右弹簧座(16)的轴向位置分别受限于左端盖(2)、右端盖底座(3)，推杆组件的第一轴肩沿正向抵靠左弹簧座(13)，推杆组件的第二轴肩沿反向抵靠右弹簧座(16)；
外动子(4)大致呈U形，第一连杆的两侧各连接一个第一斜面槽，第一连杆垂直于中心轴，第一连杆上的第一中心螺纹孔位于中心轴上；第一斜面槽位于与中心轴平行的平面上，且与纵向成倾角β，两侧的第一斜面槽且均呈以垂直于中心轴180°阵列特征；第一斜面槽内安装外动子磁片(18)；为了使外动子(4)只能作水平直线运动，直线轴承(17)套在外动子(4)的圆柱上并安装于右端盖底座(3)；
内动子(5)可旋转地置于外动子(4)的两侧的第一斜面槽之间，包括垂直于中心轴的第二连杆，第二连杆安装在2D阀芯(8)的一端；内动子(5)两侧各设置一个第二斜面槽，第二斜面槽位于与中心轴平行的平面上，且与纵向成倾角β；两侧的第二斜面槽且均呈以垂直于中心轴180°阵列特征，第二斜面槽内安装内动子磁片(19)；
同一侧的第一斜面槽和第二斜面槽的相互平行，第一斜面槽的内侧与第二斜面槽的外侧相对，外动子磁片(18)与内动子磁片(19)以异磁性面相对的方式设置，外动子磁片(18)与内动子磁片(19)相对的一面是同心的圆柱弧面，外动子磁片(18)与内动子磁片(19)间的弧形气隙形成驱动2D阀芯(8)转动的工作气隙；
所述的二维(2D)半桥式换向阀本体是由2D阀芯(8)和插装阀阀体(9)所组成的2D阀，插装阀阀体(9)的一端安装有螺纹端盖(6)，另一端安装圆柱堵头(10)；2D阀芯(8)可转动并可轴向移动地设置在插装阀阀体(9)内孔中；插装阀阀体(9)内孔上依次开有T口、A口、P口、B口、T口，其中P口为进油口，此处压力为***压力；2D阀芯(8)中部上设有一个高压孔b和两个台肩，两个中部台肩分别位于A口和B口上方；2D阀的2D阀芯(8)和内动子(5)通过紧定螺钉进行连接；此外，在2D阀芯(8)上开设了与P口相通的左高压圆形孔a和右高压矩形槽c，还开设了与T口相通的右低压矩形槽d；在插装阀阀体(9)的右边内孔壁上开设一条与右敏感腔f相通的右感受通道g；右高压矩形槽c、右低压矩形槽d和T口构成了液压阻力桥；液压阻力桥控制2D阀芯(8)右两侧敏感腔f的压力；左高压腔e是由同心环(7)和2D阀芯(8)的左端第二台肩所形成的密闭容腔，右敏感腔f是由圆柱堵头(10)和2D阀芯(8)的的右端部所形成的密闭容腔。
2.如权利要求1所述的基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀，其特征在于：所述的弹簧组件包括：推杆组件包括相互螺接的推杆(12)和螺纹连接杆(15)，推杆(12)连接线性电-机械转换器(1)的输出端，螺纹连接杆(15)连接外动子的中心螺孔，第一轴肩在推杆(12)上，第二轴肩在螺纹连接杆(15)上。
3.如权利要求1所述的基于永磁式环形气隙磁悬浮联轴节的二维电液伺服比例阀，其特征在于：左高压腔e的受力面积是右敏感腔f的1/2。
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