CN101776172B - 耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁，包括推杆(6)以及均为导磁体的壳体(1)、衔铁(8)和导向套(4)等；在导向套(4)的外表面设置环状梯形凹槽(41)，在环状梯形凹槽(41)的中间底部(412)设置环状永磁体(9)；在导向套(4)的内腔(40)中设置与导向套(4)滑动相连的衔铁(8)；推杆(6)贯穿壳体(1)的底部(10)和阶梯形的导向套通道(42)后与衔铁(8)固定相连；在阶梯形的导向套通道(42)内设置复位弹簧(5)，复位弹簧(5)的一端抵着壳体(1)、另一端抵着衔铁(8)。该耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁具有能增大输出电磁力、提高响应速度的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种流体控制系统中开关阀用的电-机械转换机构，尤其涉及一种耐高压高速开关电磁铁。
背景技术
高速开关电磁铁作为一种电液开关控制元件的电-机械转换器件，其功能是将PWM控制放大器给的电压信号转换为开启或关闭状态。发明专利US6520600和发明专利US2004178378公开了一种采用特殊结构的一体成型的导向套的高速开关电磁铁；导向套中部开有一环状梯形凹槽，将其分为前段、中段和后段，中段为环形凹槽处所对应的导向套部分，通过中段将前段和后段连接为一个整体，中段取代了传统的隔磁环结构，使整个导向套可采用同一材料一体成型，从而简化加工工艺、降低成本。但是以上公开的高速开关电磁铁存在通过导向套中段的漏磁较多的缺点，不利于电磁铁快速响应。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能增大输出电磁力、提高响应速度的耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种高耐压永磁屏蔽高速开关电磁铁，包括推杆以及均为导磁体的壳体、衔铁和内设空腔的导向套，导向套套装在壳体内，在壳体和导向套之间设置控制线圈；在导向套的外表面设置环状梯形凹槽，所述环状梯形凹槽由前盆锥段、中间底部和后盆锥段组成，在中间底部设置环状永磁体；在导向套的内腔中设置与导向套滑动相连的衔铁，在导向套的底部设置阶梯形的导向套通道，阶梯形的导向套通道与内腔相连通；推杆贯穿壳体的底部和阶梯形的导向套通道后与衔铁固定相连；在阶梯形的导向套通道内设置复位弹簧，复位弹簧的一端抵着壳体、另一端抵着衔铁。
作为本发明的耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁的改进：阶梯形的导向套通道的与空腔相连处的孔径小于空腔的孔径，在空腔和导向套通道交界处所形成的台阶面上设置非导磁材料制成的限位片；台阶面位于前盆锥段的下方。
作为本发明的耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁的进一步改进：前盆锥段与中间底部之间的夹角α为：90°＜α≤135°；后盆锥段与中间底部之间的夹角β为：90°＜β≤135°。
作为本发明的耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁的进一步改进：衔铁内开有对称布置的轴向通孔或轴向通槽。
作为本发明的耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁的进一步改进：阶梯形的导向套通道由依次相连的小通道、中通道和大通道组成，大通道与空腔相连通；且大通道的孔径小于空腔的孔径，大通道和空腔的交界面形成台阶面。
作为本发明的耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁的进一步改进：非导磁材料制成的限位片的厚度为0.04～0.10mm。
作为本发明的耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁的进一步改进：控制线圈为同心螺线管式控制线圈。
在本发明的耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁中，导向套和衔铁组成了一个动铁式结构，导向套的台阶面和前盆锥段组成了一个盆型极靴部件。
本发明的耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁与背景技术相比，具有以下有益效果：
1、导向套由高强度的导磁材料一体化制成，在其中段开有一环状梯形凹槽，环状梯形凹槽中装载环状的永磁体，导向套中段(即对应环状梯形凹槽的中间底部)和永磁体共同作用充当隔磁部件，替代了传统的隔磁环结构；
2、当线圈不通电时，永磁体建立的极化磁通不经过工作气隙，因此避免了传统永磁体结构所固有的自锁力，有利于快速返回初始位置，即加快释放过程；
3、当控制线圈通电后，永磁体产生的极化磁通一部分路径不变，仍然经导磁套中段闭合，在导向套中段起着磁屏蔽的作用，阻止了控制磁通的漏磁；另一部分的磁路改变，经衔铁进入工作气隙与控制线圈产生的控制磁场相叠加，增强了工作气隙的磁通。因此，永磁体能够增大输出电磁力，加快动态响应；
4、在衔铁与台阶面之间增加了由非导磁材料制成的限位片，避免了剩磁的影响，加快了动态特性的释放过程；
5、导向套内装载有复位弹簧；电磁铁通过与衔铁固定相连的推杆对外做功。因此，该耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁输出电磁力大，衔铁运动快，具有良好的高速响应性能。所以，本发明可广泛应用于PWM控制场合。
6、结构工艺简单，耐高压。
综上所示，本发明的耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁可广泛应用于高速开关电磁阀用电-机械转换机构，具有工程实用价值。
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是本发明的耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁的结构原理示意图；
图2是图1中的永磁体9的2种结构示意图；
图2中，A为两块拼接方式形成的永磁体9，B为四块拼接方式形成的永磁体9；
图3是图1中I的放大结构示意图；
图4是图3于控制线圈3不通电状态下的磁路示意图；
图5是图3于控制线圈3通电状态下的磁路示意图。
在上述图1～5中：
1--壳体，10--底部，11--端盖，
2--线圈框，3--控制线圈，
4--导向套，40--空腔，41--环状梯形凹槽，42--阶梯形的导向套通道，43--台阶面，44--侧壁，45--外翻边；411--前盆锥段，412--中间底部，413--后盆锥段，421--小通道、422--中通道，423--大通道；
5--复位弹簧，6—推杆，7--限位片；
8--衔铁，81--前端面，82--后端面，83--轴向通槽；
9--环状永磁体；
111--径向工作气隙，112--轴向工作气隙。
具体实施方式
实施例1、图1～图5结合给出了一种耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁，包括壳体1、线圈框2、控制线圈3、导向套4、复位弹簧5、推杆6、限位片7、衔铁8和环状永磁体9。壳体1、衔铁8和导向套4均为高强度导磁材料制成的导磁体。
壳体1由侧壁、底部10和端盖11围合形成的圆筒体，壳体1的侧壁和底部10固定相连。导向套4内设空腔40，即导向套4是一个仅由侧壁44和底部围合形成的圆桶体，且在侧壁44的顶端设有外翻边45。该导向套4套装在壳体1内，且导向套4的底部与壳体1的底部10无间隙的固定相连；导向套4的外翻边45与壳体1的侧壁无间隙的固定相连。在导向套4的侧壁44、壳体1的侧壁、壳体1的底部10和导向套4的外翻边45所围合成的区域内固定设置线圈框2，控制线圈3被固定在线圈框2内，控制线圈3可选用同心螺线管式控制线圈。
端盖11分别与壳体1的侧壁以及外翻边45固定相连。
导向套4采用高强度导磁材料用一体成型的方式加工制成，在侧壁44的外表面设置环状梯形凹槽41，该环状梯形凹槽41由前盆锥段411、中间底部412和后盆锥段413组成，从而将整个导向套4分成3段：前段、中段和后段；中间底部412对应的为中段，位于中间底部412左侧的为前段(即，前段包含导向套4的底部以及前盆锥段411)，位于中间底部412右侧的为后段(即，后段包含后盆锥段413)。因此，导向套4的中段(即中间底部412)为一环形薄壁结构，中段的厚度在整个导向套4中最小，因此中段的耐压强度就决定了导向套4的耐压强度，由于整个导向套4采用高强度的导磁材料制成，因此能保证导向套4具有足够的耐压强度。
前盆锥段411与中间底部412之间的夹角α为：90°＜α≤135°(例如为图3所示的135°)；后盆锥段413与中间底部412之间的夹角β为：90°＜β≤135°(例如为图3所示的135°)。
在中间底部412设置环状永磁体9，环状永磁体9起着磁屏蔽元件的效果；环状永磁体9可由多块永磁体拼接而成，例如图2A和图2B分别给出了用两块和用四块永磁体拼接而成的环状永磁体9，环状永磁体9的磁化方向由径向辐射向或轴向辐射向组成。中间底部412和环状永磁体9共同作用，取代了传统耐高压结构的隔磁环结构。
在导向套4的内腔40中设置可沿着导向套4轴向滑动的衔铁8，该衔铁8为圆柱形结构，轴向开有2个对称布置的轴向通槽83，衔铁8依靠此轴向通槽83保持自身两端的油液压力平衡。当衔铁8的后端面82与端盖11相接触时，衔铁8就不能再向右移动了。
在导向套4的底部设置阶梯形的导向套通道42，此阶梯形的导向套通道42由依次相连且孔径依次增大的小通道421、中通道422和大通道423组成，大通道423与空腔40相连通；且大通道423的孔径小于空腔40的孔径，因此大通道423和空腔40的交界面形成台阶面43。台阶面43位于前盆锥段411的下方，即在横截面方向上，台阶面43位于前盆锥段411的顶部4110和前盆锥段411的底部之间；且前盆锥段411的底部和中间底部412的交界面与台阶面43之间的轴向距离控制在0.3～0.9mm。为了避免衔铁8被导向套4的台阶面43吸牢，从而加快释放过程，因此在台阶面43上设置非导磁材料制成的环状的限位片7，该限位片7的厚度(即轴向长度)为0.04～0.1mm，当衔铁8的前端面81与限位片7相接触时，衔铁8就不能再向左移动了。
推杆6依次贯穿壳体1的底部10、小通道421、中通道422和大通道423后与位于空腔40内的衔铁8固定相连；此推杆6的作用是输出电磁力，对外负载做功。在推杆6的外表面套装复位弹簧5，此复位弹簧5位于中通道422和大通道423内，因此，中通道422的孔径略大于复位弹簧5的外径。复位弹簧5的一端抵着小通道421和中通道422所形成的台阶面，复位弹簧5的另一端穿过环状的限位片7后抵着衔铁8的前端面81。复位弹簧5为压缩弹簧，其有一预压缩量；当控制线圈3不通电时，复位弹簧5能使衔铁8返回至后端面82与端盖11相接触的释放位置。
导向套4的侧壁44与衔铁8之间的间隙(一般为0.03～0.08mm)形成径向工作气隙111，台阶面43与衔铁8的前端面81之间的间隙(一般为0.5～0.8mm)形成轴向工作气隙112。
本发明的耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁实际工作原理如图4和图5所示，具体如下：
1、如图4所示，当控制线圈3不通电时，环状永磁体9首先建立极化磁场，极化磁场分为Φ1和Φ2两部分。
Φ1沿环状永磁体9、后盆锥段413、外翻边45(即轭铁)、端盖11、底部10、导向套4的底部和前盆锥段411形成闭合磁路。Φ2沿环状永磁体9、后盆锥段413、中间底部412和前盆锥段411形成闭合磁路。
由此可见，当控制线圈3不通电，环状永磁体9建立的极化磁场不经过工作气隙，也就不会产生传统的永磁极化结构所固有的自锁力，从而避免了自锁力对高速开关电磁铁释放过程的阻碍，有利于高速开关电磁铁的动态响应。
2、如图5所示，给控制线圈3输入控制电流，该电流由阶跃电压源供给。控制线圈3产生的控制磁通分为Φ3和Φ4两部分。
其中Φ3经衔铁8、径向工作气隙111进入前盆锥段411；Φ4经衔铁8、轴向工作气隙112进入台阶面43。
在控制磁通的影响下，环状永磁体9产生的极化磁场的一部分Φ1路径改变，沿环状永磁体9、后盆锥段413、衔铁8、前盆锥段411形成闭合磁路；与控制线圈3产生的磁通Φ3相叠加，增强了工作气隙磁场。
环状永磁体9产生的极化磁场的另一部分Φ2路径无变化，仍然沿环状永磁体9、后盆锥段413、中间底部412和前盆锥段411形成闭合磁路；在Φ2的作用下，中段(即中间底部412)的材料磁性能趋于饱和，磁阻变大，阻止了控制磁通经中段的漏磁，在此环状永磁体9起到了磁屏蔽的效果。由此可见，永磁体的极化磁场起着减少漏磁、增强工作气磁场的作用，从而增大了输出电磁力，能够加快电磁铁的动态响应。
当控制线圈3连通阶跃电压源后，在衔铁8上得到与控制电流的极性和数值相对应的电磁力，当产生的电磁力大于复位弹簧5的作用力时，衔铁8向左运动，直至与台阶面43上的限位片7相接触，从而到达吸合位置；当控制线圈3断开阶跃电压源后，复位弹簧5推动衔铁8从吸合位置返回初始的释放位置，即衔铁8的后端面82与端盖11相接触。
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 (7)
1.一种耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁，包括推杆(6)以及壳体(1)、衔铁(8)和内设空腔(40)的导向套(4)，所述壳体(1)、衔铁(8)和导向套(4)均为导磁体，所述导向套(4)套装在壳体(1)内，在壳体(1)和导向套(4)之间设置控制线圈(3)；其特征是：
在导向套(4)的外表面设置环状梯形凹槽(41)，所述环状梯形凹槽(41)由前盆锥段(411)、中间底部(412)和后盆锥段(413)组成，在所述中间底部(412)设置环状永磁体(9)；在导向套(4)的空腔(40)中设置与导向套(4)滑动相连的衔铁(8)，在导向套(4)的底部设置阶梯形的导向套通道(42)，所述阶梯形的导向套通道(42)与空腔(40)相连通；推杆(6)贯穿壳体(1)的底部(10)和阶梯形的导向套通道(42)后与衔铁(8)固定相连；在阶梯形的导向套通道(42)内设置复位弹簧(5)，复位弹簧(5)的一端抵着壳体(1)、另一端抵着衔铁(8)。
2.根据权利要求1所述的耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁，其特征是：所述阶梯形的导向套通道(42)的与空腔(40)相连处的孔径小于空腔(40)的孔径，在空腔(40)和阶梯形的导向套通道(42)交界处所形成的台阶面(43)上设置非导磁材料制成的限位片(7)；所述台阶面(43)位于前盆锥段(411)的下方。
3.根据权利要求2所述的耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁，其特征是：前盆锥段(411)与中间底部(412)之间的夹角α为：90°＜α≤135°；后盆锥段(413)与中间底部(412)之间的夹角β为：90°＜β≤135°。
4.根据权利要求3所述的耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁，其特征是：所述衔铁(8)内开有对称布置的轴向通孔或轴向通槽(83)。
5.根据权利要求4所述的耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁，其特征是：所述阶梯形的导向套通道(42)由依次相连的小通道(421)、中通道(422)和大通道(423)组成，所述大通道(423)与空腔(40)相连通；且大通道(423)的孔径小于空腔(40)的孔径，大通道(423)和空腔(40)的交界面形成台阶面(43)。
6.根据权利要求5所述的耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁，其特征是：所述非导磁材料制成的限位片(7)的厚度为0.04～0.10mm。
7.根据权利要求6所述的耐高压永磁屏蔽高速开关电磁铁，其特征是：所述控制线圈(3)为同心螺线管式控制线圈。
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