CN101834052A - 无弹簧直动式高速开关电磁铁 - Google Patents

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Abstract

一种无弹簧直动式高速开关电磁铁，包括前端盖、后端盖、轭铁部件和衔铁部件，衔铁部件包括衔铁和用于与数字开关阀阀芯联动的推杆，衔铁固定安装在推杆上，推杆的两端可滑动地套装在前端盖和/或后端盖上，轭铁部件包括第一轭铁、第二轭铁、第三轭铁、隔磁环、线圈和永磁体，第一轭铁、第二轭铁、第三轭铁均布置在衔铁外圈，第一轭铁和第二轭铁均呈半开口状，第一轭铁和第二轭铁的开口相对并形成空腔，隔磁环位于空腔内，线圈环绕在隔磁环上组成电流励磁源；第三轭铁呈实心圆环状；永磁体位于第二轭铁和第三轭铁之间且被轴向磁化成N极和S极。本发明电磁推力大、动态响应高、结构简单、加工成本低、可靠性好、使用寿命长。

Description

无弹簧直动式高速开关电磁铁
技术领域
本发明属于流体传动及控制领域中电(气)液高速数字开关阀用的电-机械转换机构，尤其涉及一种无弹簧直动式高速开关电磁铁。
背景技术
一般而言，脉宽调制式高速数字开关阀的控制信号为一系列幅值相等、而在每一周期内宽度不同的脉冲信号，其电-机械转换器主要是高速开关电磁铁，脉冲高电平时电磁铁的衔铁在极限位置吸合，低电平时在机械弹簧力的作用下复位，以此对应高速开关阀的全开和全闭两种工作状态。
对于要求快速性的高速开关电磁铁而言，复位弹簧是关键部件之一，其刚度直接决定了衔铁的返回时间和电磁铁的固有频率；然而弹簧作为机械零件，在使用过程中不可避免的会出现疲劳、断裂以及腐蚀等，从而引起电磁铁的可靠性问题，影响电磁铁的使用寿命，严重时甚至导致电磁铁失效；另外，在电磁铁设计时还需要考虑弹簧的安装方法和位置，从而使得其内部结构复杂，加工成本高。
发明内容
为了克服已有的弹簧直动式高速开关电磁铁的结构复杂、加工成本高、可靠性差、使用寿命短的不足，本发明提供一种结构简单、可双向作动、加工成本低、可靠性好、使用寿命长的无弹簧直动式高速开关电磁铁。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种无弹簧直动式高速开关电磁铁，包括前端盖和后端盖，所述高速开关电磁铁还包括轭铁部件和衔铁部件，所述衔铁部件包括衔铁和用于与数字开关阀阀芯联动的推杆，所述衔铁固定安装在所述推杆上，所述推杆可滑动地套装在前端盖和/或后端盖上，所述轭铁部件包括第一轭铁、第二轭铁、第三轭铁、隔磁环、线圈和永磁体，所述第一轭铁、第二轭铁、第三轭铁均布置在所述衔铁外圈，所述第一轭铁和第二轭铁均呈半开口状，所述第一轭铁和第二轭铁的开口相对并形成空腔，所述隔磁环位于所述空腔内，所述线圈环绕在隔磁环上组成电流励磁源；所述第三轭铁呈实心圆环状；所述永磁体位于所述第二轭铁和第三轭铁之间且被轴向磁化成N极和S极，所述第三轭铁与后端盖固定连接，所述第一轭铁与前端盖固定连接。
进一步，所述衔铁呈空心杯形状，采用该形状，能够有效减少衔铁的运动惯量，提高其动态响应。当然，所述衔铁也可以采用其他形状，
再进一步，所述衔铁的中端设有轴孔，所述推杆与衔铁的轴孔过盈连接，所述推杆通过直线轴承支撑在前端盖和/或后端盖上。
更进一步，在所述衔铁的外表面开有a、b和c三个齿宽相同的轴向非等间隔分布的大齿，第一轭铁、第二轭铁和第三轭铁的极身宽度和衔铁外表面的三个大齿a、b和c的齿宽相等，统一记为Pt；第三轭铁、第二轭铁的极身宽度及永磁体的轴向尺寸之和SK与衔铁外表面的大齿a和大齿b之间的距离GK满足关系式SK＝GK+Pt/2；整个轭铁部件的长度Ls和衔铁的长度LR之间满足关系式LR＝LS+Pt/2。
需要说明的是，各个轭铁的极身宽度可以与大齿的齿宽不相等，相互的位置关系也未必需要如前述所述，然而采用前述的位置关系可以较好的满足电流控制磁场和永磁极化磁场差动叠加的要求，使得电磁铁获得较大的推力和较高的动态响应，因而应当作为优选的方案。
本发明的有益效果主要表现在：1、取消了高速开关电磁铁常见的机械复位弹簧，改用我国资源丰富且廉价的永磁稀土材料钕铁硼作为永磁体提供电磁刚度以起到复位弹簧的作用，避免了由于弹簧的疲劳、断裂和腐蚀而带来的电磁铁可靠性差、使用寿命短等问题；2、衔铁做成空心杯结构，运动惯量小，频响高，响应速度快，动态性能好，适合开关电磁铁的快速性要求；3、电磁铁推力大，带载能力强；4、电磁铁结构简单，制造成本低；5、电磁铁可以双向作动；6、由于电磁刚度的存在，电磁铁换向和复位时冲击和噪声小，工作稳定。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图。
图2为本发明的结构尺寸示意图。
图3a为本发明的衔铁处于不通电流状态的工作原理示意图。
图3b为本发明的衔铁处于一个通电平衡状态的工作原理示意图。
图3c为本发明的衔铁处于另一个通电平衡状态的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3c，一种无弹簧直动式高速开关电磁铁，包括轭铁部件、衔铁部件、前端盖1和后端盖8，所述轭铁部件位于衔铁部件的外侧，所述衔铁部件包括空心杯形状的衔铁4和可与数字开关阀阀芯相连的推杆3，空心杯状衔铁4安装在推杆3上，所述推杆3的两端通过直线轴承2支撑在前端盖1和后端盖8上，推杆中端与衔铁4的轴孔过盈连接；所述轭铁部件包括第一轭铁5、第二轭铁6、第三轭铁7、隔磁环10、线圈11和永磁体9，所述第一轭铁5和第二轭铁6均呈半开口状，所述第一轭铁5、第二轭铁6、第三轭铁7均布置在衔铁外圈，所述第一轭铁5和第二轭铁6的开口相对并形成空腔，所述隔磁环10用非导磁材料制成，位于所述空腔内，所述线圈11环绕在隔磁环10上组成电流励磁源；所述第三轭铁7呈实心圆环状；所述永磁体9位于所述第二轭铁6和第三轭铁7之间且被轴向磁化成N极和S极；所述第三轭铁7与后端盖8固定连接，所述第一轭铁5与前端盖1固定连接。
本实施例是推杆可滑动地套装在前端盖和/或后端盖上的一种实现方案，也可以采用另外一种结构：推杆的一端与衔铁的轴孔固定连接(过盈配合)，推杆的另一端通过直线轴承支撑在前端盖上；还可以采用再一种结构：推杆的一端通过直线轴承支撑在后端盖上，推杆的另一端与衔铁的轴孔固定连接(过盈配合)。
为减小衔铁的运动惯量，设计了所述空心杯形状的衔铁4，以获得高的动态响应，满足开关电磁铁高速开关的需要；在衔铁4外表面开有a、b和c三个齿宽相同的轴向非等间隔分布的大齿；为使电磁铁获得较大的推力和较高的动态响应，第一轭铁5、第二轭铁6和第三轭铁7的极身宽度应和衔铁4外表面的三个大齿a、b和c的齿宽相等，统一记为Pt；第三轭铁7、第二轭铁6的极身宽度及永磁体的轴向尺寸之和SK与衔铁4外表面的大齿a和大齿b之间的距离GK必须满足关系式SK＝GK+Pt/2；而整个轭铁部件的长度Ls和衔铁4的长度LR之间必须满足关系式LR＝LS+Pt/2。
为满足电磁铁正常工作的需要，前端盖1、后端盖8和推杆3均由非导磁材料制成；而第一轭铁5、第二轭铁6、第三轭铁7和衔铁4均由高磁导率的软磁材料制成。
本实施例以高速开关电磁铁衔铁上不均匀分布三个齿宽相同的大齿结构为例，结合附图对本发明作进一步说明。
本实施例的工作原理：如图3a所示，第一轭铁5、第二轭铁6、第三轭铁7分别和空心杯衔铁4形成三段有效工作气隙；当线圈11不通电流的时候，各极下工作气隙内只有永磁体产生的极化磁场，由于整个永磁磁路并不对称，其总磁导与衔铁4的位置有关，电磁铁将会自动停留在磁路总磁导最大的位置，即初始平衡位置，此时第三轭铁7的极身位置与衔铁4外表面的大齿a重合，而第二轭铁6和第一轭铁5的极身位置分别与衔铁4外表面的大齿b和大齿c错开半个齿宽(Pt/2)的距离，电磁铁停留于初始平衡位置；当线圈11通入如图3b所示
Figure GDA0000020285600000051
方向(沿纸面向里)的电流时，由于永磁体磁阻较大，则电流控制磁场与永磁极化磁场只是在第二轭铁6与衔铁4上的大齿b、第一轭铁5与衔铁4上的大齿c各自形成的工作气隙中相互叠加，其中第二轭铁6与大齿b的气隙下控制磁场与永磁极化磁场方向相同，磁场强度相互叠加而增强；第一轭铁5与大齿c的气隙下电流磁场与永磁极化磁场方向相反，磁场强度相互抵消而减弱，适当控制线圈11的电流强度，可以使得第一轭铁5与大齿c的气隙磁场接近于零，则此时空心杯衔铁4受到电磁推力而向右移动直至其本身所受合力为零，此时衔铁处于通电平衡位置；同样地，当线圈11通入如图3c所示⊙方向(沿纸面向外)的电流时，第二轭铁6与大齿b的气隙下控制磁场与永磁极化磁场方向相反，磁场强度相互抵消而减弱，适当控制线圈11的电流强度，可以使得第二轭铁6与大齿b的气隙磁场接近于零；第一轭铁5与大齿c的气隙下电流磁场与永磁极化磁场方向相同，磁场强度相互叠加而增强，此时空心杯衔铁4受到电磁推力而向左移动直至其本身所受合力为零，衔铁处于另一个通电平衡位置；当线圈11断电，电磁铁在永磁体极化磁场的作用下回到如图3a所示的初始平衡位置。可以看到，只要控制线圈11的电流通断，就可以控制电磁铁的双向快速来回动作，而适当调整电磁铁本身的结构参数，可以控制衔铁4移动距离的长短，从而实现数字开关阀的开和闭两种工作状态。
上述具体实施方式用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种无弹簧直动式高速开关电磁铁，包括前端盖和后端盖，其特征在于：所述高速开关电磁铁还包括轭铁部件和衔铁部件，所述衔铁部件包括衔铁和与数字开关阀阀芯联动的推杆，所述衔铁固定安装在所述推杆上，所述推杆可滑动地套装在前端盖和/或后端盖上，所述轭铁部件包括第一轭铁、第二轭铁、第三轭铁、隔磁环、线圈和永磁体，所述第一轭铁、第二轭铁、第三轭铁均布置在所述衔铁外圈，所述第一轭铁和第二轭铁均呈半开口状，所述第一轭铁和第二轭铁的开口相对并形成空腔，所述隔磁环位于所述空腔内，所述线圈环绕在隔磁环上组成电流励磁源；所述第三轭铁呈实心圆环状；所述永磁体位于所述第二轭铁和第三轭铁之间且被轴向磁化成N极和S极，所述第三轭铁与后端盖固定连接，所述第一轭铁与前端盖固定连接。
2.如权利要求1所述的无弹簧直动式高速开关电磁铁，其特征在于：所述衔铁呈空心杯形状。
3.如权利要求2所述的无弹簧直动式高速开关电磁铁，其特征在于：所述衔铁的中端设有轴孔，所述推杆与衔铁的轴孔过盈连接，所述推杆通过直线轴承支撑在前端盖和/或后端盖上。
4.如权利要求1～3之一所述的无弹簧直动式高速开关电磁铁，其特征在于：在所述衔铁的外表面开有a、b和c三个齿宽相同的轴向非等间隔分布的大齿，第一轭铁、第二轭铁和第三轭铁的极身宽度和衔铁外表面的三个大齿a、b和c的齿宽相等，统一记为Pt；第三轭铁、第二轭铁的极身宽度及永磁体的轴向尺寸之和SK与衔铁外表面的大齿a和大齿b之间的距离GK满足关系式SK＝GK+Pt/2；整个轭铁部件的长度Ls和衔铁的长度LR之间满足关系式LR＝LS+Pt/2。
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