CN101451623B - 脉宽调制式数字高速开关电磁阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种脉宽调制式数字高速开关电磁阀，解决了现有高速电磁阀控制精度低的技术问题。包括壳体线圈组件、阀座组件和阀芯组件；壳体线圈组件包括骨架、绕制在骨架上的线圈、固定在骨架外侧的外壳；骨架包括焊接在一起的骨架座、隔磁环和挡铁；阀座组件包括阀座和阀座弹簧，阀芯组件包括挡板、顶杆、衔铁和阀芯弹簧；挡板通过阀芯弹簧与阀座弹簧间的不平衡力压到阀座上；挡板和顶杆接触，顶杆和衔铁接触，阀芯弹簧设置在衔铁与骨架座间；阀座上设置有流体通道，双环喷嘴包括设置在阀座的流体通道开口圆周的环形密封凸台以及设置在环形密封凸台外侧的多个圆周均布的支撑凸台。具有流量控制精度高、动态调节性能好、寿命长、可靠性高的优点。

Description

脉宽调制式数字高速开关电磁阀
技术领域
本发明涉及一种数字开关电磁阀，尤其涉及一种用于流体调节与控制领域用的脉宽调制式(PWM)数字开关电磁阀。
背景技术
高速电磁阀作为数字电子控制系统的接口与执行机构，是电—液信号转换的桥梁，其性能指标和工作可靠性对整个数字电子控制系统有很大的影响，它不需要进行D/A转换，可直接与计算机接口，就能够实现数字电子控制，使得控制系统的硬件及软件大大简化。高速电磁阀可以用于各类流体(包括液体、气体介质)调节、控制系统，因而用途广阔。为了实现数字电子控制系统优良的控制品质，高速电磁阀的响应时间尽可能短，且占空比信号与其输出流量成线性关系，这样可以提高流量控制精度以及动态调节性能。同时，为了保证数字电子控制系统的工作可靠性，对高速电磁阀具有更高的寿命与可靠性要求。
发明内容
本发明的目的为提供一种流量控制精度高、动态调节性能好、寿命长、可靠性高的高速电磁阀，其解决了现有高速电磁阀控制精度低的技术问题。
本发明的技术解决方案为：
一种脉宽调制式数字高速开关电磁阀，包括壳体线圈组件、阀座组件和阀芯组件；所述壳体线圈组件包括骨架、绕制在骨架上的线圈、固定在骨架外侧的外壳；所述骨架包括焊接在一起的骨架座、隔磁环和挡铁；所述阀座组件包括阀座和阀座弹簧；所述阀芯组件包括挡板、顶杆、衔铁和阀芯弹簧；所述阀座弹簧设置在阀座和挡板间；所述挡板通过阀芯弹簧与阀座弹簧间的不平衡力压到阀座上；所述挡板和顶杆接触，所述顶杆和衔铁接触，所述阀芯弹簧设置在衔铁与骨架座间；所述阀座上设置有流体通道，其特殊之处是：所述阀座与挡板接触的端面上设置有双环喷嘴，所述双环喷嘴包括设置在阀座的流体通道开口圆周的环形密封凸台以及设置在环形密封凸台外侧的多个圆周均布的支撑凸台。
上述阀芯组件还包括嵌于衔铁与挡铁接触的端面中心且略高于衔铁端面的动挡块，所述壳体线圈组件还包括嵌于挡铁与衔铁接触的端面中心且平齐于挡铁端面的静挡块。
上述阀芯组件还包括设置在衔铁外侧面和骨架内侧面之间且套于衔铁外侧面的至少一个导向套。
上述导向套的数量为两个。
上述衔铁为空心结构。
上述阀座组件还包括过滤网组件，所述过滤网组件通过固定螺母压在阀座内。
上述阀座组件还包括过滤网组件，所述过滤网组件通过固定螺母压在阀座3内。
上述支撑凸台的数量为六个。
本发明具有如下优点：
1、输出流量连续可调。本发明高速电磁阀采用了双环喷嘴结构，尤其是密封凸台和挡板的配合关系可以保证输出流量与占空比信号成严格的线性关系，线性相关系数达0.997以上。本发明高速电磁阀能够实现对高速电磁阀在10％～90％的占空比信号范围内，输出流量连续可调。
2、高可靠性。本发明高速电磁阀采用插装式结构，便于拆装；入口处设置过滤网组件，提高了其自身的抗污染能力与工作可靠性；在阀芯与阀座的结构设计上，采用双环喷嘴-挡板结构，内侧环形密封凸台起到密封作用，外侧多个圆周均布的支撑凸台起到支撑作用，既能保证密封的可靠性，又能确保工作气隙的稳定性，也提高了电磁阀的寿命，同时使得其输出流量与占空比信号成线性关系。本发明高速电磁阀最大工作压力为12MPa，在工作压差为3.0MPa的气体介质情况下，能够保证可靠密封。
3、快速响应。本发明衔铁采用空心结构进行减重，同时采用PWM控制方式的电磁阀驱动电路，从整体上提高了高速电磁阀的响应速度。本发明高速电磁阀打开时间≤2.5ms，关闭时间≤1ms；动作的重复性好，重复性偏差≤0.05ms。
4、使用寿命长。本发明在发生撞击的阀芯与阀座上采用了高强度金属-金属的对撞结构。另外，在衔铁与挡铁中间各压入一个高强度金属挡块，避免了软磁材料之间的撞击，从而满足高速电磁阀在持续脉冲工作状态下的冲击要求，提高了使用寿命；本发明通过增大衔铁与骨架之间的非工作气隙，同时在衔铁上增加了抗耐磨的金属导向套，并对骨架内表面进行镀镍处理，使得衔铁与骨架配合关系转换到导向套与骨架之间的配合关系，可降低衔铁的加工精度，并提高零件的互换性、工艺性以及耐磨性；同时增大了衔铁与骨架之间的非工作气隙(单边非工作气隙≥0.3mm)，起到减小电磁阀的电感，整体上提高了响应速度，又保证了配合间隙的稳定性，从而提高电磁阀的重复性、寿命及控制的精确性。本发明高速电磁阀寿命可达200h。
5、功耗低、温升低。本发明电磁铁材料采用综合性能高的软磁合金，运动部件采取减重措施，采用PWM控制方式的电磁阀驱动电路，起到了减小功耗、降低温升等效果。本发明高速电磁阀50％占空比信号驱动模式下的线圈平均功率为3.8W，稳定温升≤30℃。
6、结构紧凑、使用方便。本发明充分利用衔铁减重的空间，将顶杆与挡板嵌入衔铁内，内部结构布局紧凑。本发明高速电磁阀采用插装式结构，便于拆装。
7、应用范围广。本发明高速电磁阀最大工作压力为12MPa，在工作压差为3.0MPa的气体介质情况下，能够保证可靠密封，由此可知本发明高速电磁阀可以用于各类流体(包括液体、气体介质)调节及控制系统。
附图说明
图1是本发明高速电磁阀结构示意图；图2是本发明的阀座结构示意图；图3是本发明的占空比-流量特性曲线；图4是本发明高速电磁阀温升变化曲线；图5是本发明高速电磁阀的驱动电流示意图；其中：1-固定螺母，2-过滤网组件，3-阀座，4-调整垫片，5-阀芯弹簧，6-衔铁，7-线圈，8-导向套，9-动挡块，10-静挡块，11-挡铁，12-顶杆，13-挡块，14-阀座弹簧，15-调整垫片，16-骨架座，17-压紧螺母，18-支撑凸台，19-密封凸台，20-隔磁环，21-外壳，22-流体通道。
具体实施方式
参见图1，本发明脉宽调制式数字高速开关电磁阀包括壳体线圈组件、阀座组件和阀芯组件；壳体线圈组件包括骨架、静挡块10、绕制在骨架上的线圈7、固定在骨架外侧的外壳21；骨架包括焊接在一起的骨架座16、隔磁环20和挡铁11，静挡块10嵌于挡铁11与衔铁接触的端面中心且平齐于挡铁11端面；阀座组件包括阀座3和阀座弹簧14，阀座弹簧14设置在阀座3和挡板13间；阀芯组件包括挡板13、顶杆12、衔铁6、动挡块9和阀芯弹簧5，衔铁6为空心结构；动挡块9嵌于衔铁6与挡铁接触的端面中心且略高于衔铁6端面；挡板13通过阀芯弹簧5与阀座弹簧14间的不平衡力压到阀座3上；挡板13和顶杆12接触，顶杆12和衔铁6接触，阀芯弹簧5设置在衔铁6与骨架座16间；阀座3上设置有流体通道22；阀座3与挡板13接触的端面上设置有双环喷嘴，双环喷嘴包括设置在阀座3的流体通道开口圆周的环形密封凸台19以及设置在环形密封凸台19外侧的六个圆周均布的支撑凸台18。为了提高了电磁阀自身的抗污染能力与工作可靠性，本发明在电磁阀入口处设置过滤网组件2，固定螺母1将过滤网组件2压在阀座3内。本发明增大了衔铁与骨架之间的非工作气隙，同时阀芯组件还包括设置在衔铁6外侧面和骨架内侧面之间且套于衔铁6外侧面的两个抗耐磨的导向套8。并对骨架内表面进行镀镍处理，使得衔铁与骨架配合关系转换到导向套与骨架之间的配合关系，可降低衔铁的加工精度，并提高零件的互换性、工艺性以及耐磨性。高强度的动挡块9和静挡块10可避免了软磁材料之间的撞击，衔铁6与动档块9以及挡铁11与静档块10之间为过盈配合；这样可以避免了衔铁与挡铁的直接撞击，有效提高高速电磁阀的寿命及可靠性。
图2所示为本发明的阀座结构。在阀芯与阀座的结构设计上，采用双环喷嘴-挡板结构。阀座采用了双环喷嘴结构，其中内环采用环形密封凸台，主要起密封作用，密封面宽度为0.15mm～0.2mm；外环采用六个圆周均布的支撑凸台，主要起支撑作用，当挡板与阀座撞击时，能够保证挡板与阀座密封面不至于产生偏斜碰撞而影响密封性及寿命，确保两者的可靠贴合，其支撑面宽度为0.25mm～0.3mm，并采取了局部对称开槽结构，起到减小流阻、提高密封的效果。阀座与挡板的材料采用高强度的金属，确保在脉冲工作模式下，其工作气隙的稳定性，也提高了高速电磁阀的寿命。
另外，阀芯与阀座采用喷嘴-挡板的结构形式，使得高速电磁阀的输出流量与占空比信号成线性关系。图3为本发明高速电磁阀的占空比-流量特性曲线，从试验曲线可以看到，进、出口压差为0.6、0.8、1.0MPa的三种工况下，在0％～100％占空比信号内，高速电磁阀的输出流量与之成严格的线性关系，线性相关系数达0.997以上，能够满足流体调节与控制系统的精确控制需求。
图4为本发明高速电磁阀的温升特性曲线，从试验曲线可以看出，在50％占空比信号驱动下，约120min后，高速电磁阀的温升趋于平衡，即稳定温升约为30℃；若按100％的占空比信号驱动下工作，则稳定温升为60℃，可见该高速电磁阀的稳定温升小，能够满足长期在160℃高温环境下工作，短时(≯2min)可在215℃高温环境下工作，表明该高速电磁阀具有良好高温工作性能。
图5为本发明的高速电磁阀的驱动电流曲线示意，该高速电磁阀的驱动工作方式采用脉宽频率混合调制，其控制信号频率为：
f＝4f0q(1-q)±10％，
式中：f0-占空比为50％时的信号频率，f0＝40HZ；
q-占空比，q＝T1/T×100％；
T1-脉冲周期内的吸合时间；T-脉冲周期，T＝1/f。

Claims (8)

1.一种脉宽调制式数字高速开关电磁阀，包括壳体线圈组件、阀座组件和阀芯组件；所述壳体线圈组件包括骨架、绕制在骨架上的线圈(7)、固定在骨架外侧的外壳(21)；所述骨架包括焊接在一起的骨架座(16)、隔磁环(20)和挡铁(11)；所述阀座组件包括阀座(3)和阀座弹簧(14)；所述阀芯组件包括挡板(13)、顶杆(12)、衔铁(6)和阀芯弹簧(5)；所述阀座弹簧(14)设置在阀座(3)和挡板(13)间；所述挡板(13)通过阀芯弹簧(5)与阀座弹簧(14)间的不平衡力压到阀座(3)上；所述挡板(13)和顶杆(12)接触，所述顶杆(12)和衔铁(6)接触，所述阀芯弹簧(5)设置在衔铁(6)与骨架座(16)间；所述阀座(3)上设置有流体通道(22)，其特征在于：所述阀座(3)与挡板(13)接触的端面上设置有双环喷嘴，所述双环喷嘴包括设置在阀座(3)的流体通道开口圆周的环形密封凸台(19)以及设置在环形密封凸台(19)外侧的多个圆周均布的支撑凸台(18)。
2.根据权利要求1所述的脉宽调制式数字高速开关电磁阀，其特征在于：所述阀芯组件还包括嵌于衔铁(6)与挡铁接触的端面中心且略高于衔铁(6)端面的动挡块(9)，所述壳体线圈组件还包括嵌于挡铁(11)与衔铁接触的端面中心且平齐于挡铁(11)端面的静挡块(10)。
3.根据权利要求1或2所述的脉宽调制式数字高速开关电磁阀，其特征在于：所述阀芯组件还包括设置在衔铁(6)外侧面和骨架内侧面之间且套于衔铁(6)外侧面的至少一个导向套(8)。
4.根据权利要求3所述的脉宽调制式数字高速开关电磁阀，其特征在于：所述导向套(8)的数量为两个。
5.根据权利要求3所述的脉宽调制式数字高速开关电磁阀，其特征在于：所述衔铁(6)为空心结构。
6.根据权利要求5所述的脉宽调制式数字高速开关电磁阀，其特征在于：所述阀座组件还包括过滤网组件(2)，所述过滤网组件(2)通过固定螺母(1)压在阀座(3)内。
7.根据权利要求1或2所述的脉宽调制式数字高速开关电磁阀，其特征在于：所述阀座组件还包括过滤网组件(2)，所述过滤网组件(2)通过固定螺母(1)压在阀座(3)内。
8.根据权利要求7所述的脉宽调制式数字高速开关电磁阀，其特征在于：所述支撑凸台(18)的数量为六个。
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