CN101441918B - 一种低功耗耐高压比例电磁铁 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低功耗耐高压比例电磁铁，包括导向套，导向套位于壳体内，在导向套和壳体之间设置控制线圈；在导向套的内腔中设有衔铁，导向套由前段、中段和后段组成，左端盖与前段密封相连，左端盖的端面位于前段的内腔中；右端盖与后段密封相连；衔铁由大圆柱和小圆柱所形成；推杆的右端与右轴承相连，推杆的左端与左轴承相连，推杆与衔铁固定相连；部分的小圆柱位于左端盖的端盖孔内；前段的内腔表面与大圆柱外表面之间的间隙形成径向工作气隙I，端盖孔的孔壁与小圆柱外表面之间的间隙形成径向工作气隙II，小圆柱和大圆柱的交界面与端面之间的间隙形成轴向工作气隙。使用本发明的低功耗耐高压比例电磁铁，能降低系统能耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种流体控制系统中比例阀用的电-机械转换机构，尤其涉及一种低功耗耐高压比例电磁铁。
背景技术
比例电磁铁作为一种电液比例控制元件的电—机械转换器件，其功能是将比例控制放大器输给的电流信号转换成力或位移。专利DE3309904公开了一种典型盆型极靴结构的比例电磁铁，结构简单，技术成熟，在电液比例阀上应用广泛。专利UA75780和SU1207318分别公开了一种特殊衔铁端面形状的比例电磁铁，改善了电磁力水平特性。专利CN1414251公开了一种采用阶梯型衔铁和极靴结构的比例电磁铁，衔铁被一个非导磁的金属管所包围，无隔磁环部分，结构简单。专利RU2121726公开了一种带梯形环槽衔铁端面的比例电磁铁，与衔铁端面对应的极靴极面存在环型凸缘，并采用由隔磁环焊接而成的导向套结构，增大了比例段工作行程。
但是以上公开的比例电磁铁存在输出力/电流比较小的缺点，驱动大负载时功耗较大，以致线圈温升高，不利于长时间稳定工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能降低系统能耗、减小系统发热量、从而提高系统性能的低功耗耐高压比例电磁铁。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种低功耗耐高压比例电磁铁，包括中空的导向套，导向套位于壳体内，在导向套和壳体之间设置控制线圈；在导向套的内腔中设有与导向套滑动相连的衔铁，导向套由均采用导磁材料制成的前段和后段以及采用非导磁材料制成的中段组成，前段、中段和后段依次相连；左端盖与前段密封相连，左端盖的端面位于前段的内腔中；右端盖与后段密封相连；衔铁由大圆柱和位于大圆柱端面的小圆柱所形成；推杆的右端与位于后段内腔中的右轴承滑动相连，推杆的左端穿过贯穿小圆柱和大圆柱的通道后与位于左端盖的端盖孔内的左轴承滑动相连，推杆与衔铁固定相连；部分的小圆柱位于左端盖的端盖孔内；前段的内腔表面与大圆柱外表面之间的间隙形成径向工作气隙I，端盖孔的孔壁与小圆柱外表面之间的间隙形成径向工作气隙II，小圆柱和大圆柱的交界面与端面之间的间隙形成轴向工作气隙。
作为本发明的低功耗耐高压比例电磁铁的改进：控制线圈为同心螺线管式控制线圈。
作为本发明的低功耗耐高压比例电磁铁的进一步改进：大圆柱内设有对称布置的轴向通孔。
作为本发明的低功耗耐高压比例电磁铁的进一步改进：前段和中段的结合处成锥形夹角，中段和后段的结合处也成锥形夹角。
作为本发明的低功耗耐高压比例电磁铁的进一步改进：前段和中段结合处的锥形夹角为55°～65°。
在本发明的低功耗耐高压比例电磁铁中，导向套、左端盖和衔铁组成了一个动铁式结构，导向套的前段内腔、左端盖的端面以及左端盖的端盖孔壁组成了一个阶梯环形极靴部件；衔铁呈阶梯圆柱形，其由小圆柱和大圆柱一体式组合而成；因此上述阶梯环形极靴和衔铁构成一个轴向工作气隙和两个径向工作气隙(即径向工作气隙I和径向工作气隙II)。
本发明的低功耗耐高压比例电磁铁与背景技术相比，具有以下有益效果是：
1、采用阶梯环形极靴和衔铁结构，形成了特殊形式的磁路，提高了输出力/电流比，能耗低，具有良好的静、动态特性；
2、线圈温升较低，从而降低线圈散热要求，提高了工作稳定性；
3、能简化前置放大器功率电路的设计；
4、结构简单，耐高压，线性良好，滞环小；
5、由前后两段导磁材料和中间一段非导磁材料焊接制成的导向套，具有足够的耐压强度。
因此，本发明的低功耗耐高压比例电磁铁可广泛应用于比例阀的先导控制级或比例压力阀，具有工程实用价值。
为了证明本发明的优越性，发明人以本发明的低功耗耐高压比例电磁铁和现有市场产品的比例电磁铁当作实验对象，并将上述2个比例电磁铁分别应用于国内华液公司生产的比例溢流阀的先导控制级上，从而进行功耗及温升特性测试的对比实验。具体如下：
根据比例溢流阀测试国家标准GB8105-87建立试验台，相同条件下分别测试上述两个比例溢流阀的功耗—压力特性和温升—时间特性，即某一流量下，测量达到溢流压力所需比例电磁铁的功耗以及在额定溢流压力下比例电磁铁壳体表面温升随时间的变化曲线。
实验结果如图5和图6所示，采用本发明的低功耗耐高压比例电磁铁驱动的比例溢流阀与采用现有市场产品的比例电磁铁驱动的比例溢流阀相比：本发明功耗较低，在额定溢流压力31MPa时功耗仅为6.7W，达到稳态时较室温升高仅为36.3℃(室温为27℃)；即本发明比现有技术分别降低了38％和49％。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是本发明的低功耗耐高压比例电磁铁的剖视结构示意图；
图2是图1中的I的放大的结构示意图；
图3是在图2中所示的磁路示意图；
图4是水平特性的力合成图；
图5是功耗—压力特性的对比图；
图6是温升—时间特性的对比图。
在上述图1～4中：
1：左端盖，11：端面，12：端盖孔；
2：左轴承，3：推杆；
4：导向套，41：前段，42：中段，43：后段；
5：衔铁，51：小圆柱，52：大圆柱，53：交界面，54：轴向通孔；
6：右轴承，7：控制线圈，8：壳体；
91：径向工作气隙I，92：轴向工作气隙，93：径向工作气隙II；
10：右端盖；
101：密封圈I，102：密封圈II。
具体实施方式
图1～图2结合给出了一种低功耗耐高压比例电磁铁，包括外形呈长方体、且内孔为圆柱形的壳体8和外形呈圆柱体、且内孔为圆柱形的导向套4(即该导向套4的任意处的横截面均为同样大小的圆环形)；导向套4位于壳体8内，在导向套4和壳体8之间设置控制线圈7，控制线圈7可选用同心螺线管式控制线圈。
在导向套4的内腔中设有与导向套4滑动相连的衔铁5。
导向套4由依次相连的前段41、中段42和后段43组合而成，前段41和后段43采用导磁材料制成，中段42采用非导磁材料制成，前段41和中段42的结合处成锥形夹角α，为获得良好的输出特性，锥形夹角α应当控制在55°～65°。为了使两两之间的结合更加牢固，中段42和后段43的结合处也可成锥形夹角，前段41、中段42和后段43焊合成一整体。这样，就能使导向套4具有足够的耐压强度。
左端盖1的右半段套装在前段41的内腔中；且该左端盖1右半段的外表面与前段41的内腔相吻合，从而实现左端盖1与前段41的密封相连。左端盖1与前段41可采用一体成型的方式实现两者之间的固定相连，这样即可以保证左端盖1与前段41的同心度，又能实现两者之间的高度密封。当左端盖1与前段41不是一体成型时，可在左端盖1的右半段与前段41之间设置密封圈I101，这样就能确保左端盖1与前段41之间的密封相连。左端盖1的端面11(即右半段的端面)位于前段41的内腔中。
衔铁5由从左至右依次设置的小圆柱51和大圆柱52所形成，小圆柱51和大圆柱52采用一体成型的方式实现组合。小圆柱51的直径肯定小于大圆柱52的直径；且小圆柱51和大圆柱52的轴心线相重合；因此整个衔铁5呈阶梯圆柱形。在衔铁5的中心位置处设置一个纵向的通道，即该通道贯穿小圆柱51和大圆柱52。小圆柱51和大圆柱52的结合处形成交界面53。
在后段43的内腔中固定设置右轴承6，右轴承6为滑动轴承；推杆3的右端与右轴承6滑动相连。为了使右端盖10与后段43的外表面密封固定相连，在右端盖10与后段43的外表面之间设置密封圈II102；从而使整个比例电磁铁形成一个密封的容腔。
在左端盖1的端盖孔12内固定设置左轴承2，左轴承2为滑动轴承；推杆3的左端穿过上述纵向的通道(即贯穿小圆柱51和大圆柱52的通道)后与左轴承2滑动相连。推杆3的外径与该通道的直径相同，且推杆3与衔铁5固定相连(即推杆3与小圆柱51和大圆柱52均固定相连)；推杆3作用是输出电磁力，对外负载做功。
部分的小圆柱51位于端盖孔12内，小圆柱51的外径小于端盖孔12的孔径。前段41的内腔表面与大圆柱52外表面之间的间隙形成径向工作气隙I91，端盖孔12的孔壁与小圆柱51外表面之间的间隙形成径向工作气隙II93，交界面53与端面11之间的间隙形成轴向工作气隙92。
在本实施例中，前段41的内腔表面与大圆柱52外表面之间的间隙为0.2mm，端盖孔12的孔壁与小圆柱51外表面之间的间隙为0.2mm，交界面53与端面11之间的非工作间隙为0.8mm，工作比例段行程为1.4mm。
在大圆柱52内设有2个对称布置的轴向通孔54，即此轴向通孔54是从交界面53处开始挖设、并贯通整个大圆柱52。通孔54的用途是保持衔铁5两端油液压力平衡。
本发明的低功耗耐高压比例电磁铁实际工作内容如图3和图4所示，具体如下：
当控制线圈7通电流时，衔铁5与极靴(左端盖1和导向套4的前段41)之间产生电磁力，从而通过推杆3输出对外负载做功，且该电磁力在一定行程范围内保持水平。
低功耗比例电磁铁的磁路，在工作气隙附近被分为Φ1、Φ2和Φ3三部分。其中Φ1沿轴向工作气隙92进入端盖1的端面11，产生端面力F1；Φ2经大圆柱52外表面穿过径向工作气隙I91后进入导向套4的前段41，产生轴向附加力F2；而Φ3则经小圆柱51外表面穿过径向工作气隙II93后穿入端盖孔12的孔壁，产生轴向附加力F3。F1、F2和F3这三者的综合就得到了比例电磁铁输出力F。在工作区域内，电磁力F相对于衔铁5的行程基本呈水平力特性关系，如图4所示。
因此，本发明采用阶梯环形极靴和衔铁结构，形成了特殊形式的磁路，输出力/电流比得到了提高，从而使其具有低功耗的比例控制特性。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种低功耗耐高压比例电磁铁，包括中空的导向套(4)，所述导向套(4)位于壳体(8)内，在导向套(4)和壳体(8)之间设置控制线圈(7)；在导向套(4)的内腔中设有与导向套(4)滑动相连的衔铁(5)，其特征在于：所述导向套(4)由均采用导磁材料制成的前段(41)和后段(43)以及采用非导磁材料制成的中段(42)组成，所述前段(41)、中段(42)和后段(43)依次相连；左端盖(1)与前段(41)密封相连，所述左端盖(1)的端面(11)位于前段(41)的内腔中，左端盖(1)和导向套(4)的前段(41)形成极靴；右端盖(10)与后段(43)密封相连；所述衔铁(5)由大圆柱(52)和位于大圆柱(52)端面的小圆柱(51)所形成；推杆(3)的右端与位于后段(43)内腔中的右轴承(6)滑动相连，推杆(3)的左端穿过贯穿小圆柱(51)和大圆柱(52)的通道后与位于左端盖(1)的端盖孔(12)内的左轴承(2)滑动相连，所述推杆(3)与衔铁(5)固定相连；部分的小圆柱(51)位于左端盖(1)的端盖孔(12)内；前段(41)的内腔表面与大圆柱(52)外表面之间的间隙形成径向工作气隙I(91)，端盖孔(12)的孔壁与小圆柱(51)外表面之间的间隙形成径向工作气隙II(93)，小圆柱(51)和大圆柱(52)的交界面(53)与端面(11)之间的间隙形成轴向工作气隙(92)。
2.根据权利要求1所述的低功耗耐高压比例电磁铁，其特征在于：所述前段(41)的内腔表面与大圆柱(52)外表面之间的间隙为0.2mm，端盖孔(12)的孔壁与小圆柱(51)外表面之间的间隙为0.2mm，交界面(53)与端面(11)之间的工作间隙为0.8mm。
3.根据权利要求2所述的低功耗耐高压比例电磁铁，其特征在于：所述控制线圈(7)为同心螺线管式控制线圈。
4.根据权利要求2或3所述的低功耗耐高压比例电磁铁，其特征在于：所述大圆柱(52)内设有对称布置的轴向通孔(54)。
5.根据权利要求4所述的低功耗耐高压比例电磁铁，其特征在于：所述前段(41)和中段(42)的结合处成锥形夹角，所述中段(42)和后段(43)的结合处也成锥形夹角。
6.根据权利要求5所述的低功耗耐高压比例电磁铁，其特征在于：所述前段(41)和中段(42)结合处的锥形夹角为55°～65°。
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