CN113669462A - 一种低功耗的双稳态电磁阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗的双稳态电磁阀，其包括阀体、位于阀体进口端的进口接头和位于阀体出口端的电磁铁装配体；阀体内部通过一个固定圆柱磁铁、一个环形磁铁与一个电磁铁装配体结合组成双稳态结构，用磁弹簧取代了机械弹簧与顶杆的组合，用双组(或多组)线圈取代传统电磁阀的单组线圈配置，不仅提高了电磁阀的可靠性、降低了电磁阀的能耗与尺寸，还有效地降低了阀工作所需的电压。在微小电子***中，本发明具有极大的适应性和应用潜力。

Description

一种低功耗的双稳态电磁阀

技术领域

本发明属于电磁阀设备领域，具体涉及一种低功耗的双稳态电磁阀。

背景技术

电磁阀因其结构、工作原理简单而被广泛应用于各种流体控制***中。传统电磁阀的结构如图1所示，主要包括阀体61、恢复弹簧62、电磁线圈63、顶杆64、阀口65以及衔铁66组成。未通电时，电磁阀的顶杆在弹簧力的作用下顶向锥形阀口，使阀口关闭。通电时，线圈产生的磁力吸引衔铁克服弹簧力向上运动，使阀口打开。持续通电使电磁阀保持开启状态，直到断电时电磁吸力消失，顶杆在弹簧力的作用下再次压紧阀口，使阀关闭。

现有的电磁阀采用机械弹簧作为恢复机构，若要使阀保持开启状态，必须给线圈持续通电，使顶杆能够始终压紧弹簧，从而让阀口通畅。然而，机械弹簧带来了两个主要缺陷。其一，随着电磁阀开启次数的增加，机械弹簧不可避免地会发生失效，主要表现为弹簧刚度的变化，弹簧刚度随其伸缩次数的增加而逐渐降低，这将导致顶杆压紧阀口的力减小，使阀口密封不牢靠。其二，能量消耗大。持续通电才能使阀保持开启状态，在很多场合，阀的开启时间较长，能耗的缺点更为显著，而且长时间通电会导致铜损严重，使阀产生严重的发热现象。此外，传统电磁阀的线圈通常采用的是单组线圈，如要提升电磁力，只能采用增大通电电压的方法，而在微小电子设备当中，电压是受限制的(<5V)，阀所需电压一旦超过这个限制，就必须引入升压电路，这将造成整个***的体积增大，不利于微小电子设备的小型化。

发明内容

本发明通过采用基于磁弹簧的双稳态结构以及改变传统电磁线圈的配置恰好解决了上述的缺陷，提供了一种低功耗的双稳态电磁阀。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种低功耗的双稳态电磁阀，其包括阀体、位于阀体进口端的进口接头和位于阀体出口端的电磁铁装配体；

所述进口接头中部设有进气孔，进口接头朝向阀体内侧的一端设有连接环；所述阀体内具有前腔和内腔，前腔和内腔由过流层隔开；其中过流层上设有连通前腔和内腔的过流孔，连接环的端面与过流层抵接，且连接环不封堵过流孔；

过流层中部设有固定圆柱磁铁安装孔，安装孔内设置有固定圆柱磁铁；所述内腔由靠近过流层的移动环形磁铁运动腔和靠近出口端的电磁铁安装腔组成；

所述移动环形磁铁运动腔内设置有移动环形磁铁，移动环形磁铁可在移动环形磁铁运动腔内沿轴向移动，移动环形磁铁抵靠过流层时，可完全封堵过流孔；电磁铁装配体安装在电磁铁安装腔内；

所述电磁铁装配体包括电磁铁端盖、密封端盖、圆筒形铁芯和线圈，其中，圆筒形铁芯的中心设有出气孔；圆筒铁芯上设有一个密封盖定位凸肩，电磁铁端盖中心设有通孔，其安装在圆筒形铁芯朝向阀体内部的一端，密封端盖套设在圆筒形铁芯上，且其抵接在圆筒形铁芯的密封盖定位凸肩处，密封端盖与阀体密封连接；线圈绕在圆筒形铁芯上，且其位于电磁铁端盖和密封端盖之间。

进一步的，连接环外径与前腔内径匹配，通过所述连接环将进口接头密封安装在阀体进口端。

进一步的，所述阀体靠出口端设有一个矩形槽，线圈的接线从此穿出，在最后装配完成以后，对该孔进行密封处理。

进一步的，所述过流孔有多个，典型而非限定的，所述过流孔的数量可以选择为2个、3个、4个、5个、6个等等；过流孔沿过流层的周向均匀布置。

进一步的，所述过流孔的形状可以为扇形、方形、圆形等等，只要过流孔能被移动环形磁铁抵靠时封堵，并在阀开启时能提供足够的流量即可，在形状选择上优选为便于加工的形状。

进一步的，所述线圈包括多层线圈组成，外层线圈套设在内层线圈***，最内层线圈套设在圆筒形铁芯上；各层线圈并联连接。

进一步的，所述电磁铁端盖是非导磁材料。阀开启以后，在断电情况下，移动组件是靠圆筒铁芯的吸引力而稳定的。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

本发明移动环形磁铁在固定圆柱磁铁的吸引下可通过封堵过流孔从而封住阀口，使阀保持常闭状态。阀通电时，在电磁铁装配体的吸引下，移动环形磁铁远离阀口而贴向电磁铁端盖，前腔和内腔连通，阀开启。由于移动环形磁铁在上极限位置(靠近固定圆柱磁铁)和下极限位置(靠近圆筒形铁芯)都能保持稳定状态，故该结构是一个双稳态结构。因此，当移动环形磁铁贴上电磁铁装配体的时候即使断电，其也将在圆筒铁芯的吸引下停留在电磁铁端盖上使阀仍然保持开启。而阀需要关闭时，只需给电磁铁装配体施加一个瞬时的反向电流，此时移动环形磁铁被排斥而回到初始位置封堵过流孔，回到初始位置之后，移动环形磁铁处于另一个稳态，即在固定圆柱磁铁的吸引下即使电磁铁断电，移动环形磁铁也能停在初始位置，使阀再次关闭。因此，本发明只需瞬时(几十毫秒)供电就能实现阀的长时间开启和关闭，功耗极低。而且，磁弹簧相较于机械弹簧有着变刚度的特性，即环形磁铁越靠近圆柱磁铁，它们之间的等效刚度越大，且当两者距离为0时其刚度远远大于机械弹簧，因此不容易发生失效。此外，本发明采用并联的双组线圈取代了传统电磁阀的单组线圈配置有效地降低了阀所需的通电电压，这极大地提高了小型电磁阀在微小电子***中的适应性。

本发明针对传统电磁阀可靠性低、能耗大和在微小电子设备中适应性差的问题，将一个固定圆柱磁铁、一个移动环形磁铁与一个电磁铁装配体结合组成双稳态结构，用磁弹簧取代了机械弹簧与顶杆的组合，用双组(或多组)线圈取代传统电磁阀的单组线圈配置，不仅提高了电磁阀的可靠性、降低了电磁阀的能耗与尺寸，还有效地降低了阀工作所需的电压。在微小电子***中，本发明具有极大的适应性和应用潜力。

附图说明

图1为传统电磁阀结构示意图；

图2为本发明低功耗的双稳态电磁阀的外观图；

图3为本发明电磁阀的***图；

图4为本发明进口接头的结构图；

图5为本发明阀体结构与剖视图；

图6为本发明电磁铁装配体的***图；

图7为单组线圈与双组线圈通电图；

图8为本发明工作原理图。

图中，1-进口接头，2-阀体，3-电磁铁装配体，4-固定圆柱磁铁，5-移动环形磁铁，11-连接环，21-过流层211-过流孔，212-固定圆柱磁铁安装孔，22-移动环形磁铁运动腔，23-电磁铁安装腔，24-矩形槽，31-电磁铁端盖，32-外层线圈，33-内层线圈，34-圆筒形铁芯，35-密封端盖，341-密封盖定位凸肩，61阀体，62-恢复弹簧，63-电磁线圈，64-顶杆，65-阀口，66-衔铁。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图2和3所示，本实施例提出的低功耗的双稳态电磁阀主要包括阀体2、位于阀体进口端的进口接头1和位于阀体出口端的电磁铁装配体3。

如图4和5所示，所述进口接头1中部设有进气孔，进口接头朝向阀体内侧的一端设有连接环11；所述阀体内具有前腔和内腔，前腔和内腔由过流层21隔开；其中过流层21上设有连通前腔和内腔的过流孔211，连接环11的端面与过流层21抵接，且连接环11的内圈直径较大，连接环的内圈所包裹的空间即构成了前腔，因连接环11内圈直径较大，其不封堵过流孔；过流层21中部设有固定圆柱磁铁安装孔212，安装孔内设置有固定圆柱磁铁4；所述内腔由靠近过流层21的移动环形磁铁运动腔22和靠近出口端的电磁铁安装腔23组成；

如图5所示，所述移动环形磁铁运动腔22内设置有移动环形磁铁5，移动环形磁铁5中部中空，其可在移动环形磁铁运动腔内沿轴向移动，移动环形磁铁5抵靠过流层21时，可完全封堵过流孔211；电磁铁装配体3安装在电磁铁安装腔23内；

如图6所示，所述电磁铁装配体3包括电磁铁端盖31、密封端盖35、圆筒形铁芯34和线圈，其中，圆筒形铁芯的中心设有出气孔；圆筒铁芯上设有一个密封盖定位凸肩341，电磁铁端盖31中心设有通孔，其安装在圆筒形铁芯朝向阀体内部的一端，密封端盖35套设在圆筒形铁芯上，且其抵接在圆筒形铁芯的密封盖定位凸肩处，密封端盖与阀体密封连接；线圈绕在圆筒形铁芯上，且其位于电磁铁端盖和密封端盖之间。

在本发明的一个具体实施例中，连接环外径与前腔内径匹配，通过所述连接环将进口接头密封安装在阀体进口端。

在本发明的一个具体实施例中，所述阀体靠出口端设有一个矩形槽24，线圈的接线从此穿出，在最后装配完成以后，对该孔进行密封处理。

在本发明的一个具体实施例中，所述过流孔沿过流层21的周向均匀布置。所述过流孔为扇形过流孔，共有4个。

所述线圈包括多层线圈组成，外层线圈套设在内层线圈***，最内层线圈套设在圆筒形铁芯上；各层线圈并联连接。在本发明的一个具体实施例中，所述线圈包括外层线圈和内层线圈，内层线圈套设在外层线圈和圆筒形铁芯之间；外层线圈和内层线圈并联连接。

相比于传统电磁阀的单组线圈配置，本发明采用的双组线圈配置可以在不削弱阀性能的情况下有效地降低阀的工作电压。传统电磁阀的线圈通电图如图7(a)所示，假设电源是恒定的电压源，其电压为U，根据电磁学理论，直流通电线圈产生的磁场的磁场强度H的表达式如下为：

式中，N为通电线圈的匝数；

I为通电线圈的电流，单位为A；

Le为测试样品的有效磁路长度，单位为m。

因此，直流通电线圈的磁场强度H与安匝数N·I成正比。图7(b)是本发明提出的双组线圈的通电图，与图7(a)中的单组线圈相比，双组线圈的电源也为U，且双组线圈的总匝数N₂(内层线圈匝数N_内与外层线圈匝数N_外之和)与单组线圈的匝数N₁相同。即N₁＝N₂＝N_内+N_外，并且N_内＝N_外。若单组线圈与双组线圈采用相同电阻率的铜线，则单组线圈的电阻R₁等于双组线圈内外线圈的电阻之和，即R₁＝R₂＝R_内+R_外，且R_内＝R_外，则R₁＝R₂＝2R_内＝2R_外。因此，通过单组线圈中的电流I₁为：

通过双组线圈内层和外层线圈中的电流为：

联立上面几个式子，可得：I₁＝0.5I_内＝0.5I_外

因此，在相同电压下，双组线圈并联产生磁场的磁场强度H₂＝2H₁。反过来说，在产生相同磁场强度的磁场条件下，双组线圈的通电电压仅为单组线圈通电电压的一半。由于在小型电子设备当中，通常采用纽扣电池作为电源，其电压较小(<5V)，若要使用较高的电压，通常需要采用升压电路，而加入升压电路会增大整个***的体积。本发明所提出的采用双组线圈的电磁阀可完美的解决这一问题，仅改变传统电磁阀的线圈配置，即可将所需电压降低一半。

需要说明的是，电磁铁线圈还可以有更多的组数，如3组线圈和多组线圈，电压将进一步降低，但随着电压降低，总的电流将会持续升高，考虑到铜线的电流密度限制，线圈的组数不能无限增加。

本发明该电磁阀的工作原理图如图8所示，当阀处于非工作状态(线圈未通电)时，移动环形磁铁5受固定圆柱磁铁4的吸引而与其靠近，从而堵住了阀体中的扇形过流孔，导致气流通道被阻断，阀处于常闭状态(图8a)。当阀处于工作状态(线圈通电)时，电磁铁产生一个更为强的吸引力迫使移动环形磁铁远离固定圆柱磁铁，使得扇形过流孔打开。移动环形磁铁离开固定圆柱磁铁一段距离后会进入电磁铁装配体3的势阱内并快速贴紧电磁铁端盖31，此时无需再通电，阀也能保持最大开启状态(图8b)。(由于距离的原因，在此处移动组件受到圆筒铁芯的吸引力大于来自固定环形磁铁的吸引力)，气流经过扇形过流孔进入阀体内腔后，经由移动环形磁铁的内孔、电磁铁端盖的中部通孔和圆筒形铁芯34，从出口流出。当阀需要关闭时，只需给线圈通入反向电流，移动环形磁铁5将受到来自电磁铁装配体的排斥力向固定圆柱磁铁4运动直至重新把扇形过流孔堵住，此时阀断电，移动环形磁铁也能单靠固定圆柱磁铁的吸引力而牢牢地堵住阀口(扇形通气孔)，使阀恢复常闭状态(图8c)。

本发明能提高电磁阀的使用寿命，减少能耗并最大限度地缩小电磁阀的体积。在空间尺寸限制较大的小型流体控制***中有非常大的应用前景。采用并联的双组线圈有效地降低了阀所需的通电电压，这将提高小型电磁阀在微小电子***中的适应性。

本发明电磁铁用非线性磁弹簧取代传统电磁阀的机械弹簧，并将磁性双稳态结构运用于电磁阀当中，只需给瞬时电流信号即可实现阀的长时间开启和关闭，极大地减小了电磁阀的能耗以及通电线圈的发热。本发明利用并联的双组线圈取代传统电磁阀的单组线圈，可有效地减小阀所需的通电电压，这将极大地拓展小型电磁阀在微小电子***中的应用。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种低功耗的双稳态电磁阀，其特征在于，包括阀体、位于阀体进口端的进口接头和位于阀体出口端的电磁铁装配体；

所述进口接头中部设有进气孔，进口接头朝向阀体内侧的一端设有连接环；所述阀体内具有前腔和内腔，前腔和内腔由过流层隔开；其中过流层上设有连通前腔和内腔的过流孔，连接环的端面与过流层抵接，且连接环不封堵过流孔；

过流层中部设有固定圆柱磁铁安装孔，安装孔内设置有固定圆柱磁铁；所述内腔由靠近过流层的移动环形磁铁运动腔和靠近出口端的电磁铁安装腔组成；

所述移动环形磁铁运动腔内设置有移动环形磁铁，移动环形磁铁可在移动环形磁铁运动腔内沿轴向移动，移动环形磁铁抵靠过流层时，可完全封堵过流孔；电磁铁装配体安装在电磁铁安装腔内；

所述电磁铁装配体包括电磁铁端盖、密封端盖、圆筒形铁芯和线圈，其中，圆筒形铁芯的中心设有出气孔；圆筒铁芯上设有一个密封盖定位凸肩，电磁铁端盖中心设有通孔，其安装在圆筒形铁芯朝向阀体内部的一端，密封端盖套设在圆筒形铁芯上，且其抵接在圆筒形铁芯的密封盖定位凸肩处，密封端盖与阀体密封连接；线圈绕在圆筒形铁芯上，且其位于电磁铁端盖和密封端盖之间。

2.根据权利要求1所述低功耗的双稳态电磁阀，其特征在于，连接环外径与前腔内径匹配，通过所述连接环将进口接头密封安装在阀体进口端。

3.根据权利要求1所述低功耗的双稳态电磁阀，其特征在于，所述阀体靠出口端设有一个矩形槽，线圈的接线从此穿出，在最后装配完成以后，对该孔进行密封处理。

4.根据权利要求1所述低功耗的双稳态电磁阀，其特征在于，所述过流孔有多个，沿过流层的周向均匀布置。

5.根据权利要求4所述低功耗的双稳态电磁阀，其特征在于，所述过流孔为扇形过流孔。

6.根据权利要求1所述低功耗的双稳态电磁阀，其特征在于，所述线圈包括多层线圈组成，外层线圈套设在内层线圈***，最内层线圈套设在圆筒形铁芯上；各层线圈并联连接。

7.根据权利要求1所述低功耗的双稳态电磁阀，其特征在于，所述电磁铁端盖采用非导磁材料。

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