CN102168700A - 2d数字伺服阀的永磁零位保持机构 - Google Patents

Abstract

一种2D数字伺服阀的永磁零位保持机构，包括与电机轴连接的上摆轮、摆动轴和与阀芯连接的下摆轮，上摆轮中部开有供电机轴穿过的安装孔，上摆轮的下端开有槽口，槽口内安装摆动轴，摆动轴一端伸入电机安装板的限位孔内，下摆轮的上部可转动地套装在摆动轴上，下摆轮的下部开有供阀芯穿过的安装孔，左保持架和右保持架安装在电机安装板上，左保持架和右保持架位于下摆轮下端左右两侧，左保持架的凹槽内安装第一永磁体，右保持架的凹槽内安装第二永磁体，下摆轮下端左右两侧的凹槽内分别安装第三永磁体和第四永磁体，第一永磁体与第三永磁体相对布置，第二永磁体和第四永磁体相对布置。本发明工作可靠、安全性好。

Description

2D数字伺服阀的永磁零位保持机构

技术领域

本发明涉及2D数字伺服阀领域，尤其是一种2D数字伺服阀的永磁零位保持机构。

背景技术

近年来，利用伺服螺旋机构原理工作的2D数字伺服阀因其具有动态好、精度高、结构简单、价格低廉以及抗污染能力强的特点而被成功的应用于金属材料试验机、地震模拟试验台以及相关的航空航天电液伺服系统等重要场合。2D数字伺服阀利用多极交流伺服电机作为其电能-机械能的转换接口。一般而言，在电液伺服系统的初始化过程中是先给数字伺服阀上电(此时控制信号为零)，而后再启动液压泵通入液压油。当打开电源，电机的控制信号为零时，伺服阀应该处于关闭状态，即阀芯应该处于严格的机械零位；然而由于伺服螺旋机构的特殊工作原理，阀芯和阀套之间实质上处于自由的悬空状态，考虑到外界的随机干扰因素，此时很难保证阀芯严格的处于机械零位；假如此时阀芯略微偏离零位，当液压泵打开通入油液后，基于伺服螺旋机构的工作原理，阀芯会自动的回到零位；然而在此过程中，油液已经有可能得以进入执行机构(液压缸)的一腔，引起设备非预期的误动作，造成人身及设备的安全隐患。因此，如何在初始化时保持其零位稳定，避免执行机构的误动作，是2D数字伺服阀设计制造中一个很关键的问题。

之前也有采用机械弹簧连接的方式来保持阀芯零位的方法，其一端连接阀芯，另一端被固定在电机安装板上，该弹簧相应的被称为零位弹簧；然而在2D数字伺服阀阀芯作动频繁的工况下，零位弹簧容易产生疲劳断裂，从而导致整个零位保持机构失效。

发明内容

为了克服已有的2D数字伺服阀零位保持机构存在的零位弹簧疲劳断裂的问题，本发明提供一种工作可靠、安全性好的2D数字伺服阀永磁零位保持机构。

为了解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种2D数字伺服阀的永磁零位保持机构，包括与电机轴连接的上摆轮、摆动轴和与阀芯连接的下摆轮，所述上摆轮中部开有供电机轴穿过的安装孔，所述上摆轮的上端切有通槽，所述上摆轮的上端两半部分固定连接，所述上摆轮的下端开有槽口，所述槽口内安装摆动轴，所述摆动轴一端伸入电机安装板的限位孔内，所述下摆轮的上部可转动地套装在所述摆动轴上，所述下摆轮的下部开有供阀芯穿过的安装孔，所述下摆轮的下端切有通槽，所述下摆轮的下端两半部分固定连接，所述永磁零位保持机构还包括左保持架和右保持架，所述左保持架和右保持架安装在电机安装板上，所述左保持架和右保持架位于下摆轮下端左右两侧，所述左保持架的凹槽内安装第一永磁体，所述右保持架的凹槽内安装第二永磁体，所述下摆轮下端左右两侧的凹槽内分别安装第三永磁体和第四永磁体，所述第一永磁体与所述第三永磁体相对布置，所述第二永磁体和第四永磁体相对布置。

进一步，所述左保持架和右保持架的中部切有凹槽。当然，永磁体的安装也可以采用其他的方式。

再进一步，所述第一永磁体的前后侧面分别与第一轭铁、第二轭铁固定连接；所述第二永磁体的前后侧面分别与第三轭铁、第四轭铁固定连接。

更进一步，所述上摆轮的上端左半部分开有光孔，所述上摆轮的上端右半部分开有螺纹孔，螺钉穿过所述光孔安装在所述螺纹孔内。

所述下摆轮的下端左半部分开有光孔，所述下摆轮的下端右半部分开有螺纹孔，螺钉穿过所述光孔安装在所述螺纹孔内。

本发明的有益效果主要表现在：1利用永磁体提供的电磁刚度来保持2D数字伺服阀阀芯的零位，避免了机械弹簧零位机构存在的疲劳断裂问题，其工作可靠，安全性好；2、该永磁零位保持机构的设计便于2D数字伺服阀的人工机械调零；3、在永磁体产生的磁力匹配合适的情况下，该零位保持机构不会影响2D数字伺服阀的动态性能。

附图说明

图1为带永磁零位保持机构的2D数字伺服阀的结构原理示意图。

图2为阀芯阀套装配关系的示意图。

图3为阀套的结构示意图。

图4为阀芯的结构示意图。

图5为左保持架的结构示意图；右保持架的结构与其完全相同。

图6为第一轭铁的结构示意图；第二、三、四轭铁的结构与其完全相同。

图7为第一永磁体的结构示意图；第二永磁体的结构与其完全相同。

图8为第三永磁体的结构示意图；第四永磁体的结构与其完全相同。

图9为下摆轮的结构示意图。

图10为本发明中的以磁力保持阀芯零位的永磁磁路原理示意图。

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10，一种2D数字伺服阀的永磁零位保持机构，包括与电机轴连接的上摆轮5、与阀芯连接的下摆轮7、摆动轴6、左保持架20、右保持架9、第一轭铁23、第二轭铁21、第三轭铁11、第四轭铁13和第一永磁体22、第二永磁体12、第三永磁体16、第四永磁体14。所述上摆轮5中部开有供电机轴穿过的安装孔，所述上摆轮5的上端切有通槽，所述上摆轮5的上端两半部分固定连接，所述上摆轮5的下端开有槽口，所述槽口内安装摆动轴6，所述摆动轴6一端伸入电机安装板2的限位孔内，所述下摆轮7的上部可转动地套装在所述摆动轴6上，所述下摆轮7的下部开有供阀芯穿过的安装孔，所述下摆轮7的下端切有通槽，所述下摆轮7的下端两半部分固定连接，所述左保持架20和右保持架9固定安装在所述电机安装板2上，所述左保持架20和右保持架9中部切有凹槽，所述第一轭铁23、第一永磁体22和第二轭铁21以第一永磁体22的磁力吸合，三者整体以过盈配合安装在左保持架20的凹槽内，所述第三轭铁11、第二永磁体12和第四轭铁13以第二永磁体12的磁力吸合，三者整体以过盈配合安装在右保持架9的凹槽内，所述第三永磁体16和第四永磁体14分别安装在下摆轮7下端左右两侧的凹槽内，以磁力定位。

本实施例中，2D数字伺服阀包括多极交流伺服电机1、永磁零位保持机构、伺服螺旋机构、阀体35、后盖板36、右塞环41、同心环40、堵头32、电机安装板2、螺钉3、39、38、37、8、18、30、24、19、10、15和O型密封圈43、42、25、26、27、28、29、33等组成。

所述多极交流伺服电机1作为驱动数字阀的电-机械转换器，位于阀体35上端，通过螺钉3、39、38等与电机安装板2相连接。

如图1、图5～图9所示，永磁零位保持机构包括上摆轮5、下摆轮7、摆动轴6、左保持架20、右保持架9、第一、二、三、四轭铁23、21、11、13和第一、二、三、四永磁体22、12、16、14；上摆轮5上端切有通槽，其和螺钉4配合的孔一边为光孔，一边则为螺纹孔，如此可方便的调节上摆轮5与电机1转子轴之间的相对位置，有利于2D数字伺服阀的人工机械调零；摆动轴6被固压于上摆轮下部的两个小孔中，一端与摆轮端面平齐，另一端则留出一定长度与电机安装板2上的限位孔一起构成伺服阀的限位机构；下摆轮7下端同样切有通槽，和螺钉17配合的孔一边为光孔，一边则为螺纹孔，以方便调节下摆轮7和阀芯31之间的相对位置，有利于2D数字伺服阀的人工机械调零；上摆轮5与下摆轮7通过摆动轴6相啮合构成近似定传动比的力矩放大机构，与传统的齿轮传动机构相比，其结构简单，转动惯量小，在降低了对多极交流伺服电机1的输出力矩要求的同时还可以提升2D数字伺服阀的动态性能；为防止电机旋转角位移过大时上摆轮5和下摆轮7脱离啮合，在电机安装板2上开有圆形的限位孔，与摆动轴6一起构成伺服阀的限位机构；下摆轮7下端与阀芯31相连，通过螺钉17固定；左保持架20和右保持架9采用非导磁材料制成，其中部开有槽口；下摆轮7为磁导率较高的软磁材料制成，下端左右耳部各加工出若干个等距排列、大小相同的齿状凸极，以增强气隙磁导的变化梯度，增大零位保持的磁力；第三和第四永磁体16和14均为高磁能积的钕铁硼材料制成，其轴向充磁，依靠其本身的磁力安装在下摆轮7下部的齿状凸极形成的凹槽内；第一和第二永磁体22和12均为高磁能积的钕铁硼材料制成，其轴向充磁；第一、二、三、四轭铁23、21、11、13均为磁导率较高的软磁材料制成，其外形为板状，一端加工出若干个等距排列、大小相同的齿状凸极，其尺寸外形和下摆轮7的齿状凸极相同，第一轭铁23、第一永磁体22和第二轭铁21以第一永磁体22的磁力吸合，三者整体以过盈配合安装在左保持架20上，第三轭铁11、第二永磁体12和第四轭铁13以第二永磁体12的磁力吸合，三者整体以过盈配合安装在右保持架9上，左保持架20和右保持架9分别通过螺钉24、19和10、15连接在电机安装板2上；阀芯31和摆动轴6均为非导磁材料制成，以减少整个永磁磁路的磁泄漏。

如图1～图4所示，伺服螺旋机构是实现伺服阀阀芯转角与轴向直线位移(主阀开口)转换的导控结构，其包括阀芯31和阀套34等，阀芯31与阀套34、后盖板36配合构成敏感腔a，靠近敏感腔a端的阀芯31台肩表面上开设有两对轴对称的高低压孔b和c；阀芯31装于阀套34中，阀套34和阀体35之间通过O型密封圈25、26、27、28、29等密封；阀芯31上装有同心环40和右塞环41以保证阀芯31、阀套34和阀体35之间的定位；阀套34的内表面上开设有一对轴对称的螺旋槽d，该槽的一端和敏感腔a相通，另一端与高低压孔b和c构成阻力半桥，阻力半桥通过螺旋槽控制敏感腔a内的压力。

2D数字伺服阀的工作原理如下：2D数字伺服阀的右腔通过小孔g，经小孔f和阀芯31杆内通道与进油P口(系统压力)相通，其面积为左敏感腔a的一半；左敏感腔a的压力由开设在阀芯31左端台肩上的一对高低压孔b和c与开设于阀套34内表面的螺旋槽d相交的两个微小弓形面积串联的液压阻力半桥控制。在静态时若不考虑摩擦力及阀口液动力的影响，左敏感腔a的压力为P口压力(系统压力)的一半，阀芯31轴向保持静压平衡，与螺旋槽d相交的高低压孔两侧的遮盖面积相等。当以逆时针(面对阀芯伸出杆)的方向转动阀芯31，则高压侧的遮盖面积增大、低压侧的遮盖面积减小，左敏感腔a的压力升高，并推动阀芯31右移，同时高低压孔b和c又回到螺旋槽d的两侧，处于高低压孔两侧遮盖面积相等的位置，左敏感腔a的压力恢复为P口压力(系统压力)的一半，保持轴向力平衡；若顺时针方向转动阀芯31，变化则正好相反，阀芯31向左移动；可以看到，阀芯31的旋转角位移与轴向直线位移之间的转换运动与普通的机械螺旋机构的转换运动相一致，不同之处在于阀芯31的轴向运动由液压静压力驱动，因此实现2D数字伺服阀阀芯旋转角位移与轴向直线位移(主阀开口)转换的导控结构被称为液压伺服螺旋机构。

本实施例以阀芯直径为16mm的300L流量带永磁零位保持机构的2D数字伺服阀为例，结合附图对本发明作进一步说明。

本实施例的工作原理：2D数字伺服阀在投入使用前必须对多极交流伺服电机1的电气零位和阀芯31的机械零位进行调整使其重合。电机1的电气零位调整由控制器在打开电源的瞬间自动完成。而阀芯31的机械零位需要在伺服阀试验台上由人工调整，其过程是：打开控制器电源，控制器控制电机1自动到达电气零位，并且上电给电机提供一定的定位力矩；松开调零螺钉17，手调微微转动阀芯31，在A和B两腔都堵死的情况下，A腔和B腔压力相等的阀芯转角位置即是阀芯31的机械零位，然后拧紧调零螺钉17，调零完成。

2D数字伺服阀在经过零位调整后可投入使用，构成数字电液伺服系统。在系统的初始化过程中，一般是先给数字伺服阀的控制器上电(此时电机的控制信号为零)，然后开液压泵通入液压油。当初始化打开电源，电机1的控制信号为零时，理想状态下伺服阀应该处于关闭状态，即阀芯31应该处于严格的机械零位；然而由于伺服螺旋机构的工作原理，阀芯31和阀套34之间实质是处于自由的悬空状态，考虑到外界的随机干扰因素，此时很难保证阀芯31严格的处于机械零位；假如此时阀芯31略微偏离零位，当液压泵打开通入油液后，基于伺服螺旋机构的工作原理，阀芯31会自动的回到零位；然而在此过程中，油液已经有可能得以进入执行机构(液压缸)的一腔(A腔或者B腔)，引起设备非预期的误动作，造成人身及设备安全隐患。因此，如何在初始化时保持其零位稳定，避免执行机构的误动作，是2D数字伺服阀设计制造中一个很关键的问题，为此设计了永磁零位保持机构。

如图1、图5～图9所示，零位保持机构包括上摆轮5、下摆轮7、摆动轴6、左保持架20、右保持架9、第一、二、三、四轭铁23、21、11、13和第一、二、三、四永磁体22、12、16、14；上摆轮5上端切有通槽，其和螺钉4配合的孔一边为光孔，一边则为螺纹孔，如此可方便的调节上摆轮5与电机1转子轴之间的相对位置，有利于2D数字伺服阀的人工机械调零；摆动轴6被固压于上摆轮下部的两个小孔中，一端与摆轮端面平齐，另一端则留出一定长度与电机安装板2上的限位孔一起构成伺服阀的限位机构；下摆轮7下端同样切有通槽，和螺钉17配合的孔一边为光孔，一边则为螺纹孔，以方便调节下摆轮7和阀芯31之间的相对位置，有利于2D数字伺服阀的人工机械调零；上摆轮5与下摆轮7通过摆动轴6相啮合构成近似定传动比的力矩放大机构，与传统的齿轮传动机构相比，其结构简单，转动惯量小，在降低了对多极交流伺服电机1的输出力矩要求的同时还可以提升2D数字伺服阀的动态性能；为防止电机旋转角位移过大时上摆轮5和下摆轮7脱离啮合，在电机安装板2上开有圆形的限位孔，与摆动轴6一起构成伺服阀的限位机构；下摆轮7下端与阀芯31相连，通过螺钉17固定；左保持架20和右保持架9采用非导磁材料制成，其中部开有槽口；下摆轮7下端左右耳部各加工出若干个等距排列、大小相同的齿状凸极，第三和第四永磁体16和14均为高磁能积的钕铁硼材料制成，其轴向充磁，依靠其本身的磁力安装在下摆轮7下部的齿状凸极形成的凹槽内；第一和第二永磁体22和12均为高磁能积的钕铁硼材料制成，其轴向充磁；第一、二、三、四轭铁23、21、11、13均为导磁材料制成，其外形为板状，一端加工出若干个等距排列、大小相同的齿状凸极，其尺寸外形和下摆轮7的齿状凸极相同，第一轭铁23、第一永磁体22和第二轭铁21以第一永磁体22的磁力吸合，三者整体以过盈配合安装在左保持架20上，第三轭铁11、第二永磁体12和第四轭铁13以第二永磁体12的磁力吸合，三者整体以过盈配合安装在右保持架9上，左保持架20和右保持架9分别通过螺钉24、19和10、15连接在电机安装板2上；阀芯31和摆动轴6均为非导磁材料制成，以减少整个永磁磁路的磁泄漏。

如图1和图10所示，在永磁零位机构装配完毕后可以看到，磁力线从第一永磁体22的N极出发，依次穿过第一轭铁23、气隙、下摆轮7、第三永磁体16、下摆轮7，然后再次通过气隙，经过第二轭铁21回到第一永磁体22的S极，从而构成一条闭合的永磁磁路；为使得磁路正常工作，第一永磁体22的S极必须和第三永磁体16的N极首尾顺序连接。

同理可以得到，阀芯的另一侧同样存在一条永磁磁路，其磁力线从第二永磁体12的N极出发，依次穿过第三轭铁11、气隙、下摆轮7、第四永磁体14、下摆轮7，然后再次通过气隙，经过第四轭铁13回到第二永磁体12的S极，从而构成闭合的永磁磁路；为使得磁路正常工作，第二永磁体12的S极必须和第四永磁体14的N极首尾顺序连接。

从电磁学可知，磁力线有往最短路径通过的趋势，其作用和机械弹簧的刚度类似，可以称为电磁刚度；因此依靠这两条永磁磁路产生的电磁刚度可以限定阀芯的轴向直线位移和径向的旋转位移，保持阀芯的零位稳定。另外，阀芯31和摆动轴6均为非导磁材料制成，以减少整个永磁磁路的磁泄漏。

带永磁零位保持机构的2D数字阀人工调零过程如下：将需要调零的2D数字伺服阀装于伺服阀试验台上，先将螺钉4和17全部松开使得上摆轮5和电机1转子轴之间、下摆轮7和阀芯31之间无运动联系，而下摆轮7受到永磁零位保持机构的电磁刚度作用而处于一个固定的位置，此时人工调整上摆轮5使得下摆轮7大致处于上摆轮5下部凹槽的中间位置(即给阀芯向两端的轴向移动提供大致相等的行程)，随后拧紧螺钉4将上摆轮压紧到电机轴上；打开电源，控制器控制电机1自动到达电气零位，并且上电给电机提供一定的定位力矩，手调微微转动阀芯31，找到使得A腔和B腔压力相等的阀芯转角位置，即是阀芯31的机械零位，然后拧紧调零螺钉17，调零完成。

可以看到，永磁零位机构可以限制阀芯31的轴向移动和径向转动两个方向的自由度，从而在系统的初始化阶段保持阀芯31的零位稳定，避免执行机构的误动作；而当数字阀进入正常的工作状态时，阀芯31的轴向运动是靠伺服螺旋机构两端的液压力之差来推动，相比于永磁零位机构的磁力而言，液压力往往数值较大，因此永磁零位保持机构的磁力不会影响阀的动态性能。

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 (5)

1.一种2D数字伺服阀的永磁零位保持机构，包括与电机轴连接的上摆轮、摆动轴和与阀芯连接的下摆轮，所述上摆轮中部开有供电机轴穿过的安装孔，所述上摆轮的上端切有通槽，所述上摆轮的上端两半部分固定连接，所述上摆轮的下端开有槽口，所述槽口内安装摆动轴，所述摆动轴一端伸入电机安装板的限位孔内，所述下摆轮的上部可转动地套装在所述摆动轴上，所述下摆轮的下部开有供阀芯穿过的安装孔，所述下摆轮的下端切有通槽，所述下摆轮的下端两半部分固定连接，其特征在于：所述永磁零位保持机构还包括左保持架和右保持架，所述左保持架和右保持架安装在电机安装板上，所述左保持架和右保持架位于下摆轮下端左右两侧，所述左保持架的凹槽内安装第一永磁体，所述右保持架的凹槽内安装第二永磁体，所述下摆轮下端左右两侧的凹槽内分别安装第三永磁体和第四永磁体，所述第一永磁体与所述第三永磁体相对布置，所述第二永磁体和第四永磁体相对布置。

2.如权利要求1所述的2D数字伺服阀的永磁零位保持机构，其特征在于：所述左保持架和右保持架的中部切有凹槽。

3.如权利要求1或2所述的2D数字伺服阀的永磁零位保持机构，其特征在于：所述第一永磁体的前后侧面分别与第一轭铁、第二轭铁固定连接；所述第二永磁体的前后侧面分别与第三轭铁、第四轭铁固定连接。

4.如权利要求1或2所述的2D数字伺服阀的永磁零位保持机构，其特征在于：所述上摆轮的上端左半部分开有光孔，所述上摆轮的上端右半部分开有螺纹孔，螺钉穿过所述光孔安装在所述螺纹孔内。

5.如权利要求1或2所述的2D数字伺服阀的永磁零位保持机构，其特征在于：所述下摆轮的下端左半部分开有光孔，所述下摆轮的下端右半部分开有螺纹孔，螺钉穿过所述光孔安装在所述螺纹孔内。

Images