CN101225881A

CN101225881A - 超磁致伸缩致动器直接驱动的高速电液开关阀

Info

Publication number: CN101225881A
Application number: CNA2007101448689A
Authority: CN
Inventors: 李立毅; 寇宝泉; 张成明; 吴红星
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2008-07-23

Abstract

超磁致伸缩致动器直接驱动的高速电液开关阀，它涉及一种高速开关阀。本发明解决了现有的电液开关阀中的致动器存在抑制超磁致伸缩棒温升结构复杂而且设计不合理、动态响应速度慢、控制精度低、驱动效率低的问题。所述线圈骨架(2)套装在超磁致伸缩棒(4)上，驱动线圈(3)绕缠在线圈骨架(2)上，致动器壳体(1)的侧壁上开有液体流通进口(24)，阀芯(9)的侧壁上开有液体流通出口(23)，所述液体流通进口(24)通过超磁致伸缩棒(4)上的轴向通孔(4－1)与液体流通出口(23)相通，所述致动器壳体(1)与阀体(8)密闭连接。本发明具有抑制超磁致伸缩棒温升结构简单而且设计合理、动态响应速度快、流量控制精度高、开关频率高等优点。

Description

超磁致伸缩致动器直接驱动的高速电液开关阀

技术领域

本发明涉及一种高速开关阀，具体涉及一种超磁致伸缩致动器直接驱动的高速电液开关阀。

背景技术

电液开关阀作为连接电气部分与液压部分的桥梁，是电液控制系统的核心部件。其基本组成是电-机械转换器、液压前置级、液压放大级和适当的反馈机构等。在传统的电液控制系统中一般采用电磁铁执行器作为电-机械转换器，但是它的体积大、响应速度较慢(5～10ms)、控制精度低、结构复杂，无法适应当今高速高精度电液控制系统的需求。要提高电液控制系统的性能，必须提高其电-机械转换器的频宽和响应速度。随着先进制造技术、微电子技术的发展，以新型功能材料为基础的转换器研制开发，使高频响应电-机械转换器的出现和应用成为现实。目前，对微位移致动器的研究大多集中在压电陶瓷(PZT)上，但是它的输出位移小(100～600ppm)、工作电压高(几千伏)，电绝缘要求高，加之材料本身产生的漂移现象和过电压击穿失效问题，限制了压电陶瓷型致动器在微位移驱动器方面的进一步应用。而超磁致伸缩微致动器的出现，为微流体元件的驱动提供了一个更好、更有效的方法。超磁致伸缩材料具有应变量大(1300～2200ppm)、输出力大、无过热失效的优点，而且响应速度快，基于超磁致伸缩材料的致动器结构简单，响应速度主要取决于励磁线圈的励磁时间，一般小于2ms，因此，超磁致伸缩材料及器件是当前研究的热点。由于超磁致伸缩材料本身性能受环境温度的影响较大，温升会对超磁致伸缩材料的磁致伸缩系数也有较大影响，现有的电液开关阀中的致动器为抑制温升问题对其性能的影响，一般在超磁致伸缩棒和驱动线圈中间设计强制冷却回路或隔热层来加以消除，但是这样的结构增加了超磁致伸缩致动器的体积和结构的复杂程度，而且降低了驱动线圈的驱动效率，进而影响了整个电液开关阀工作效率和控制精度，因而限制了电液开关阀应用领域，同时还存在体积较大、可靠性差、动态响应速度慢等问题(参见图6)。

发明内容

本发明为了解决现有的电液开关阀中的致动器存在抑制超磁致伸缩棒温升结构复杂而且设计不合理、动态响应速度慢、控制精度低、体积较大、可靠性差、驱动效率低的问题，进而提供了一种超磁致伸缩致动器直接驱动的高速电液开关阀。

本发明的技术方案是：超磁致伸缩致动器直接驱动的高速电液开关阀，它包括超磁致伸缩致动器和开关阀，所述超磁致伸缩致动器由致动器壳体、线圈骨架、驱动线圈、超磁致伸缩棒、挡板组成，所述开关阀由阀体、阀芯组成；所述阀芯的前端装在阀体内，阀芯的后端与致动器壳体底端通过超磁致伸缩棒固接在一起，阀芯的前端与阀体上的阀门接触连接，线圈骨架套装在超磁致伸缩棒上，驱动线圈绕缠在线圈骨架上，致动器壳体的侧壁上开有液体流通进口，阀芯的侧壁上开有液体流通出口，所述液体流通进口通过超磁致伸缩棒上的轴向通孔与液体流通出口相通，所述致动器壳体与阀体密闭连接，所述挡板固定安装在致动器壳体的内壁上，所述致动器壳体、阀芯、挡板均由导磁材料制成。

本发明具有以下有益效果：本发明具有抑制超磁致伸缩棒温升结构简单、设计合理、动态响应速度快(1μs左右)、流量控制精度高、开关频率高、结构紧凑、体积小等优点。由于采用管型超磁致伸缩棒，内部管道构成液体流动路径的一部分，在液体流动过程中带走了由驱动线圈工作产生的热量，保持超磁致伸缩棒的工作环境温度稳定，抑制了温升对超磁致伸缩棒输出位移的影响，而且不需要外加冷却结构使系统结构更简单，易于微型化；本发明不需要对材料本身的动态响应非线性进行补偿，采用PWM(脉宽调制)的工作方式，可以提高整个电液控制系统的响应速度和控制精度。本发明完全适用于高精度的流量控制领域。

附图说明

图1是本发明的整体结构图，图2是本发明(在不通电状态下时阀体与阀芯为常闭的工作模式)的整体结构图，图3是图1的A部放大图，图4是图1的B部放大图，图5是驱动线圈绕制形状示意图，图6是现有的超磁致伸缩致动器的整体结构图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1和图2所示，本实施方式的超磁致伸缩致动器直接驱动的高速电液开关阀由超磁致伸缩致动器(Giant MagnetostrictiveActuator-GMA)21和开关阀22组成，所述超磁致伸缩致动器21由致动器壳体1、线圈骨架2、驱动线圈3、超磁致伸缩棒4、挡板5组成，所述开关阀22由阀体8、阀芯9组成；所述阀芯9的前端装在阀体8内，阀芯9穿过阀体8上的通孔8-1，阀芯9的后端与致动器壳体1底端通过超磁致伸缩棒4固接在一起，阀芯9的前端与阀体8上的阀门30接触连接，线圈骨架2套装在超磁致伸缩棒4上，驱动线圈3绕缠在线圈骨架2上，致动器壳体1的侧壁上开有液体流通进口24，阀芯9的侧壁上开有液体流通出口23，所述液体流通进口24通过超磁致伸缩棒4上的轴向通孔4-1与液体流通出口23相通，所述致动器壳体1与阀体8密闭连接，所述挡板5固定安装在致动器壳体1的内壁上，所述致动器壳体1、阀芯9、挡板5均由导磁材料制成。另外，在线圈骨架2上涂有隔热材料。

本实施方式所述挡板5通过与致动器壳体1过盈配合防止线圈骨架2在致动器壳体1内滑动。本实施方式所述致动器壳体1、阀芯9、挡板5均由导磁材料(电工纯铁)制成。致动器壳体1、阀芯9、挡板5与超磁致伸缩棒4共同形成闭合磁路，增加超磁致伸缩棒4的中心的磁场强度。

由超磁致伸缩致动器直接驱动开关阀22的阀芯9，而不需要外加机械转换或传动装置，这里阀芯9也是超磁致伸缩致动器的输出顶杆。液体流通进口24、超磁致伸缩棒4上的轴向通孔4-1与液体流通出口23共同形成液体流通路径25，在液体的流动过程中，将驱动线圈工作产生并且传递的热量带走，以控制超磁致伸缩棒4的工作环境温度，以消除温升对超磁致伸缩材料的磁致伸缩系数的影响。

具体实施方式二：如图1和图5所示，本实施方式所述驱动线圈3是由三个(奇数个)同心且内外径相同的线圈组成，各个线圈从左至右依次绕缠在线圈骨架2上。如此设计，可采用分段采用不同电流驱动来改善超磁致伸缩棒4的内部磁场分布，提高磁场均匀性。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1、图3和图4所示，本实施方式所述致动器壳体1的底端上设有凸台1-1，所述凸台1-1，所述凸台1-1与超磁致伸缩棒4固接，所述凸台1-1、阀芯9的横截面半径大于超磁致伸缩棒4的横截面半径。如此设计，可提高超磁致伸缩棒4接触面的磁场均匀性。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：如图1所示，本实施方式所述磁致伸缩棒4的长度L1小于或等于线圈骨架2的长度L。如此设计，提高磁场均匀性。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：如图1所示，本实施方式所述阀芯9的前端9-1的横截面积由后至前逐渐缩小。如此设计，在不通电状态下，阀体(8)与阀芯(9)为常开的工作模式。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：如图2所示，本实施方式所述阀芯9的前端9-1的横截面积由后至前逐渐增大。如此设计，在不通电状态下，阀体(8)与阀芯(9)为常闭的工作模式。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：如图1和图2所示，本实施方式还包括弹性密封垫圈6，所述弹性密封垫圈6安装在致动器壳体1和阀体8之间。如此设计，增强密封效果。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：如图1和图2所示，本实施方式还包括预压力调整机构，所述预压力调整机构由碟簧12、垫片11、压力传感器10组成，所述阀芯9上设有台肩9-2，所述台肩9-2与阀体8之间由后至前依次装有碟簧12、垫片11、压力传感器10。预压力调整机构可对超磁致伸缩棒施加偏置压力，提高超磁致伸缩棒的磁致伸缩系数，使其工作状态最佳。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

工作原理：

外加电源激励后(给驱动线圈3通电)，通过驱动线圈感应出具有足够幅值和均匀性的驱动磁场，使超磁致伸缩棒4发生正的形变来推动阀芯9关闭(打开)阀门30，液体将从液体流通进口24流经轴向通孔4-1从液体流通出口23流出，再经阀门30流出。可采用PWM(脉宽调制)的工作方式控制液体的流量和控制精度，当激励消失后，超磁致伸缩棒4回复到原来的长度，使阀芯复位，保持常开(常闭)的工作状态。通过驱动电源给超磁致伸缩致动器(GMA)施加激励，控制输入电流控制致动器的输出位移和输出力以调整阀口的开度，进而控制液体流量。

Claims

1.一种超磁致伸缩致动器直接驱动的高速电液开关阀，它包括超磁致伸缩致动器(21)和开关阀(22)，所述超磁致伸缩致动器(21)由致动器壳体(1)、线圈骨架(2)、驱动线圈(3)、超磁致伸缩棒(4)、挡板(5)组成，所述开关阀(22)由阀体(8)、阀芯(9)组成；其特征在于所述阀芯(9)的前端装在阀体(8)内，阀芯(9)的后端与致动器壳体(1)底端通过超磁致伸缩棒(4)固接在一起，阀芯(9)的前端与阀体(8)上的阀门(30)接触连接，线圈骨架(2)套装在超磁致伸缩棒(4)上，驱动线圈(3)绕缠在线圈骨架(2)上，致动器壳体(1)的侧壁上开有液体流通进口(24)，阀芯(9)的侧壁上开有液体流通出口(23)，所述液体流通进口(24)通过超磁致伸缩棒(4)上的轴向通孔(4-1)与液体流通出口(23)相通，所述致动器壳体(1)与阀体(8)密闭连接，所述挡板(5)固定安装在致动器壳体(1)的内壁上，所述致动器壳体(1)、阀芯(9)、挡板(5)均由导磁材料制成。

2.根据权利要求1所述的超磁致伸缩致动器直接驱动的高速电液开关阀，其特征在于所述驱动线圈(3)是由至少三个同心且内外径相同的线圈组成，各个线圈从左至右依次绕缠在线圈骨架(2)上。

3.根据权利要求1所述的超磁致伸缩致动器直接驱动的高速电液开关阀，其特征在于所述致动器壳体(1)内的底端面上设有内凸台(1-1)，所述内凸台(1-1)与超磁致伸缩棒(4)固接，所述内凸台(1-1)、阀芯(9)的横截面半径大于超磁致伸缩棒(4)的横截面半径。

4.根据权利要求1所述的超磁致伸缩致动器直接驱动的高速电液开关阀，其特征在于所述磁致伸缩棒(4)的长度L1小于或等于线圈骨架(2)的长度L。

5.根据权利要求1所述的超磁致伸缩致动器直接驱动的高速电液开关阀，其特征在于所述阀芯(9)的前端(9-1)的横截面积由后至前逐渐缩小。

6.根据权利要求1所述的超磁致伸缩致动器直接驱动的高速电液开关阀，其特征在于所述阀芯(9)的前端(9-1)的横截面积由后至前逐渐增大。

7.根据权利要求1所述的超磁致伸缩致动器直接驱动的高速电液开关阀，其特征在于它还包括弹性密封垫圈(6)，所述弹性密封垫圈(6)安装在致动器壳体(1)和阀体(8)之间。

8.根据权利要求1所述的超磁致伸缩致动器直接驱动的高速电液开关阀，其特征在于它还包括预压力调整机构，所述预压力调整机构由碟簧(12)、垫片(11)、压力传感器(10)组成，所述阀芯(9)上设有台肩(9-2)，所述台肩(9-2)与阀体(8)之间由后至前依次装有碟簧(12)、垫片(11)、压力传感器(10)。