CN102483176A - 螺管线圈 - Google Patents

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CN102483176A CN2010800370723A CN201080037072A CN102483176A CN 102483176 A CN102483176 A CN 102483176A CN 2010800370723 A CN2010800370723 A CN 2010800370723A CN 201080037072 A CN201080037072 A CN 201080037072A CN 102483176 A CN102483176 A CN 102483176A
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Abstract

提供一种螺线管，该螺线管可通过电流通电并包括由可磁化极材料磁极构成的极片、当电流经过螺线管时可动的电枢以及电磁线圈。当螺线管通电时电流流经线圈，该线圈包括中心开口，其中极片至少部分地定位。中心开口的直径可在中间区域内比在线圈的上端和下端处小。线圈的中心开口的上部内端或下部内端中的至少一个可斜切或有带有一半径的轮廓。当线圈通电时产生的磁通量具有加强的流动路径，其相比于标准线圈减小了中心开口的过渡区域内的饱和度。

Description

螺管线圈
本申请要求了2009年6月15日提交的美国临时专利申请序列号第61/187,101号和2010年4月23日提交的美国非临时专利申请序列号第12/799,424号的优先权。
本发明总地涉及比例型和开/关型螺线管阀，并具体地涉及用于螺线管阀的具有加强的磁通路径的线圈设计。
与本发明相关类型的线圈通常附连于阀元件，这些阀元件通过电枢相对于静态极片的运动而致动。通过感应穿过包括极片、电枢、壳体和螺线管阀芯部的回路的磁通量来产生极片和电枢之间力的增大。
在一种已知传统类型的螺线管操作的阀中，磁性材料的柱塞在螺线管内可滑动。弹簧或其它偏置装置推动柱塞与阀座接触。当没有电流施加到螺线管时，阀通过弹簧保持关闭。当电流流动并且对螺线管通电时，磁力抵抗弹簧作用以使柱塞远离阀座运动。当磁力超过弹簧力时，柱塞不与阀座接触并运动到阀完全打开的较远位置。这种类型的阀有两个基本位置：打开位置和关闭位置。
比例阀是另一种类型的阀，在比例阀中，流体的流量与施加到螺线管内的线圈的电流成比例变化。这种阀对于流量的逐步变化优于在开和关的条件之间的突兀变化的应用场合中是期望的。已为比例阀提出许多设计。已知的比例阀的示例在授予Everett的美国专利第4,463,332(′332专利)中示出，其全部内容以参见方式纳入本文。′332专利中的比例阀包括具有电磁线圈和极片的螺线管。极片位于电磁线圈内，而电枢位于极片附近并与其分开一芯部间隙。极片以螺纹配合的方式安装于螺线管内，该螺纹配合可调节成调节芯部间隙。电枢通过电枢保持件而保持在位，且成对的片弹簧保持在电枢保持件和电枢之间。′332专利中的螺线管还包括围绕线圈的环形永磁体，以在极片内产生预定通量密度的磁场。′332专利中的螺线管组件示出为连接到采用球阀的阀组件。
其全部内容以参见方式纳入本文的、授予Everett等人的美国专利4,767,097公开了略微类似于′332专利的比例阀，但该比例阀采用了不同的球阀组件和外壳。
其全部内容以参见方式纳入本文的、授予Dzialakiewicz等人的美国专利6,974,117B2公开了带有比例控制的比例阀，其中极片和电枢形成与流经电磁线圈的电流量成比例变化的间隙。电枢具有成对的不同直径的肩部和压抵对应肩部的不同直径的弹簧。
在本发明的一个实施例中，提供能通过电流通电的螺线管，且该螺线管包括：由可磁化极材料构成的极片；当电流经过螺线管时可动的电枢；以及电磁线圈。当对螺线管通电时，电流经过线圈。线圈包括中心开口，而极片至少部分地位于中心开口内。中心开口的中间区域内的线圈直径小于中心开口的上端和下端处的线圈直径。
在中心开口的上端和下端处，线圈的轮廓设计成线圈的内径在中心开口的上端和下端处更大。线圈可在与中心开口的上端或下端中的至少一个相邻处斜切，且线圈可在中心开口的上端和下端处都斜切。
线圈的轮廓可在中心开口的上端和/或下端处具有一半径。当线圈通电时产生的磁通量具有加强的电流路径，该电流路径与标准线圈相比减小了线圈的上部内端和下部内端处的过渡区域内的饱和度。如由线圈高度相对于斜切长度计算的那样，可实现磁通路径从0.5％到50％的改进。
在本发明的另一实施例中，用于加强螺线管内的磁通路径的方法可包括如下步骤：提供螺线管，该螺线管具有由可磁化材料构成的极片；当电流流经螺线管时相对于极片可动的电枢；构造成接纳流经其的电流的电磁线圈，该线圈具有外径和沿中心开口变化的内径，其中，内径在中心开口的上端和下端处比在中心开口的中间区域内大；使螺线管通有电流；并产生穿过线圈、极片和电枢的磁通路径。
螺线管具有加强的磁通路径，该磁通路径具有在中心开口的上端和下端处比在标准线圈中狭缩(pinch)更少的磁通线，其中标准线圈在中心开口的上端和下端处具有直角角部。
线圈可沿中心开口的上端或下端中的至少一个斜切，且线圈可沿中心开口的上端和下端处都斜切。线圈的轮廓还可沿中心开口的上端和下端中的至少一个具有一半径。中心开口增大直径的区域从中心开口长度的0.5％延伸到50％。
螺线管还可包括芯部，其中芯部的至少一部分延伸到线圈和电枢之间的中心开口内。根据本发明构造的给定尺寸和材料的线圈对于给定电流比具有直角角部的标准线圈具有更强的对于电枢的拉动作用。
在本发明的另一实施例中，提供阀装置，包括：外壳；阀体；入口端口和出口端口；具有电磁线圈的螺线管；由磁化材料构成的极片；相对于极片可动的电枢；以及电磁线圈，该电磁线圈具有中心开口以及沿中心开口提供变化的直径的构造。
中心开口具有上端和下端，且线圈的轮廓可在中心开口的上端或下端中的至少一个上具有斜面或半径。
线圈的轮廓可沿中心开口的上端和下端都具有斜面或半径。
阀装置可包括芯部，其中芯部的至少一部分延伸到线圈和电枢之间的中心开口内。
直径在中心开口的中间区域内比在中心开口的可从其长度的0.5％延伸到50％的增大直径的区域内小。
在本发明的又一个实施例中，提供能通过电流通电的螺线管，该螺线管包括：外壳；由可磁化极材料构成的极片；当电流经过螺线管时可动的电枢；以及电磁线圈，该电磁线圈构造成在螺线管通电时接纳穿过线圈的电流，该线圈具有大体圆柱形构造并具有顶端、底端、环形外端和中心开口。线圈沿中心开口延伸的一部分大体平行于环形外端，而线圈沿中心开口的另一部分以不平行于环形外端的定向延伸。线圈的轮廓可沿中心开口具有至少一个斜面或半径。
本发明的上述和其它特征和目的以及获得它们的方式将变得更为清晰，且本发明本身将结合附图参见下述本发明的各实施例的说明更好地理解，其中：
图1是螺线管内的标准线圈的剖视图；
图2是示出螺线管和线圈的本发明的一个实施例的剖视图；
图3是根据本发明的实施例的具有线圈的螺线管的立体剖视图；
图3A是在所示区域内的图3的线圈的放大图；以及
图4是本发明的另一实施例的剖视图。
对应的附图标记在若干附图中标示对应的部件。尽管附图代表本发明的实施例，但不必按比例绘制附图，并且可以放大某些特征以更好地说明和阐释本发明。这里阐述的示例说明了本发明的实施例，但是这些示例并不构成以任何方式限制本发明的范围。
为了促进理解本发明的原理，现参见附图中所示的实施例，下面描述这些实施例。但是应当理解并不由此限制本发明的范围。本发明包括所示装置和所述方法的改变和其它变型以及本发明原理的其它应用，这些将通常是与本发明相关的领域中的技术人员会想到的。
参见图1，示出一般标记为10的标准或传统的螺线管。螺线管10包括壳体或外壳12、线圈式绕组或线圈14、极片16、可动电枢18及芯部19。螺线管部件由本领域中已知的标准材料和设计构成。还在图1的剖视图中示出典型的磁通线20，当线圈14通过电流通电时产生这些磁通线。
如可见，线圈14具有大致方形或矩形的、带有直角角部22的横截面。这种设计使在螺线管外壳12的给定空间内用于卷绕的容量最大；然而，磁回路受到限制，这是因为分别在螺线管10的顶部和底部内径角部22a和22a附近的过渡区域内产生磁饱和点。饱和点起到影响和限制磁流通过线圈并进入极片16和电枢18的狭缩点的作用。相应地，饱和点减小了螺线管的效率和通过极片16和电枢18的磁通路径。
现参见图2，示出根据本发明的螺线管的一个实施例，该实施例一般标记为110。螺线管110包括壳体或外壳112、有轮廓的线圈绕组或线圈114、极片116和电枢118。用于螺线管110的材料类似于在标准螺线管和本领域中已知的那些材料。当螺线管110用电流通电时，在螺线管内产生磁通线120。磁通线120与标准螺线管10中的磁通线20的不同在于在线圈114的内径区域的顶部和底部处的过渡区域未饱和。这是由于线圈114的有轮廓的横截面所造成的。在此实施例中，有轮廓的横截面在线圈的外径上具有直角角部；然而，线圈114包括中心开口115，其在中心开口115的顶部和底部处具有变化的直径。线圈114分别具有斜切角部124a、124b，因而，开口115的直径在中间或中心区域/范围内比在斜切区域内小。如在图2中明显可见，随着在极片116和电枢118内的磁通量增大，改善了线圈110内的磁通线。在角部或过渡区域内减小的饱和度允许对于螺线管的给定包络线来说显著提高力输出潜力。
斜切磁路径的百分比与吸引力比传统线圈设计增大的量直接有关。如由线圈高度相对于斜面长度计算的那样，已经示出对于斜面设计，磁通路径从0.5％改进到50％。请注意到采用半径、台阶和芯部/壳体材料的不对称附加物的替代构造也可与本发明一起使用。
在一个实施例中，与使用提供7.2lb f/31.9N的、具有相同壳体或外壳尺寸的根据本发明的带轮廓线圈的螺线管相比，传统线圈产生3.8lb f/16.4N。
现参见图3和3A，示出根据本发明的另一螺线管，一般标记为210。螺线管210示出为安装在一般标记为211的阀装置内。阀装置211和螺线管210包括用于螺线管的壳体或外壳212、线圈214、线圈214内的中心开口215、极片216、电枢218和芯部219。此外，阀211包括阀体230、阀杆232和端口234a、234b。阀211为已知设计并由已知材料构成，而阀杆232附连和安装到电枢218并通过弹簧偏置以打开和关闭阀，以允许或防止流体分别在线圈通电/不通电时如已知那样在端口234a和234b之间交换。
参见图3A，当螺线管210通电时，磁通线220在螺线管内产生，并且由于有轮廓的横截面分别包括斜切的顶部和底部内角部224a和224b，磁通量未在此过渡区域内变得饱和。
现参见图4，示出根据本发明的螺线管的另一个实施例，一般标记为310。螺线管310包括壳体或外壳312、有轮廓的线圈式绕组或线圈314、极片316和电枢318。当螺线管310通有电流时，在螺线管内产生磁通线320。在此实施例中，线圈314在线圈的外径上具有直角角部；然而，线圈114包括中心开口115，其中中心开口的直径在其顶部和底部处更大。变化的直径是归因于形成于中心开口315的顶部和底部处的线圈上的半径。线圈314以类似线圈114的方式起作用。
尽管本发明用具体标记来教导上述实施例，但本领域的技术人员将认识到能以不脱离本发明的形式和细节来作变化。例如，如上所述，代替角部中的斜面，弯曲的设计或其它替代的设计可用于减小内径上和下角部中的饱和度。此外，壳体或芯部的材料可变化。
因此，所述实施例被认为在所有方面仅是示例性的而非限制性的，并且仅如要求的及其等效物地来限制本发明。

Claims (22)

1.一种能通过电流通电的螺线管(110，210，310)，所述螺线管包括：
外壳(112，212，312)；
极片(116，216，316)，所述极片由可磁化极材料构成；
电枢(118，218，318)，所述电枢在电流流经所述螺线管(110，210，310)时可动；以及
电磁线圈(114，214，314)，所述电磁线圈构造成当所述螺线管(110，210，310)通电时接纳流经所述线圈(114，214，314)的电流，所述线圈(114，214，314)包括中心开口(115，215，315)，且所述极片(116，216，316)至少部分地位于所述开口(115，215，315)内，且其特征在于，所述线圈沿所述中心开口的内径在所述中心开口的中间区域内比在所述中心开口的上端和下端处小。
2.如权利要求1所述的螺线管(110，210，310)，其特征在于，所述线圈(114，214，314)在所述中心开口(115，215，315)的所述上端和下端处有轮廓，以使有轮廓之处的所述线圈(114，214，314)的内径增大。
3.如权利要求1或2所述的螺线管(110，210)，其特征在于，所述线圈(114，214)在与所述中心开口(115，215)的所述上端和下端中的至少一个相邻处斜切(124a-b，224a-b)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的螺线管(110，210)，其特征在于，所述线圈(114，214)在所述中心开口(115，215)的所述上端和下端处都斜切(124a-b，224a-b)。
5.如权利要求1或2所述的螺线管(310)，其特征在于，所述线圈(314)在所述中心开口(315)的所述上端和下端处有带有半径(324a-b)的轮廓。
6.如权利要求1至5中任一项所述的螺线管(110，210，310)，其特征在于，当所述线圈(114，214，314)通电时产生的磁通量(120，220，320)具有加强的流动路径，所述流动路径与标准线圈(14)相比减小所述中心开口(115，215，315)的所述上部内端和下部内端处的过渡区域内的饱和度。
7.如权利要求1至4和6中任一项所述的螺线管(110，210)，其特征在于，如由线圈高度相对于斜切(124a-b，224a-b)长度计算的那样，包括所述磁通路径(120，220)从0.5％到50％的改进。
8.一种用于加强螺线管(110，210，310)内的磁通路径(120，220，320)的方法，所述方法包括如下步骤：
提供螺线管(110，210，310)，所述螺线管具有由可磁化材料构成的极片(116，216，316)，当电流流经所述螺线管(110，210，310)时相对于所述极片(116，216，316)可动的电枢(118，218，318)，构造成接纳流经其的电流的电磁线圈(114，214，314)，所述线圈的特征在于外径和沿中心开口(115，215，315)变化的内径，其中，所述内径在所述中心开口(115，215，315)的上端和下端处比在所述中心开口的中间区域内大；
使所述螺线管(110，210，310)通有电流；以及
产生穿过所述线圈(114，214，314)、所述极片(116，216，316)和所述电枢(118，218，318)的磁通路径(120，220，320)。
9.如权利要求8所述的向螺线管(110，210，310)提供加强的磁通路径(120，220，320)的方法，其特征在于，所述磁通路径(120，220，320)在所述中心开口(115，215，315)的上端和下端处比在所述中心开口的上端和下端处具有直角角部(22a-b)的标准线圈(14)内狭缩得少。
10.如权利要求8或9所述的向螺线管(110，210)提供加强的磁通路径(120，220)的方法，其特征在于，所述线圈(114，214)沿所述中心开口(115，215)的所述上端或下端中的至少一个斜切(124a-b，224a-b)。
11.如权利要求8至10中任一项所述的向螺线管(110，210)提供加强的磁通路径(120，220)的方法，其特征在于，所述线圈(114，214)沿所述中心开口(115，215)的所述上端和下端处都斜切(124a-b，224a-b)。
12.如权利要求8或9所述的向螺线管(310)提供加强的磁通路径的方法，其特征在于，所述线圈(314)沿所述中心开口(315)的所述上端和下端中的至少一个有带有半径(324a-b)的轮廓。
13.如权利要求8至12中任一项所述的向螺线管(110，210，310)提供加强的磁通路径(120，220，320)的方法，其特征在于，所述中心开口(115，215，315)的增大直径的区域从所述中心开口(115，215，315)长度的0.5％延伸到50％。
14.如权利要求8至13中任一项所述的向螺线管(110，210，310)提供加强的磁通路径(120，220，320)的方法，其特征在于，所述螺线管(110，210，310)包括芯部(119，219，319)，所述芯部(119，219，319)的至少一部分延伸到所述线圈(114，214，314)与所述电枢(118，218，318)之间的所述中心开口(115，215，315)内。
15.如权利要求8至14中任一项所述的向螺线管(110，210，310)提供加强的磁通路径(120，220，320)的方法，其特征在于，给定尺寸和材料的线圈(114，214，314)对于给定电流提供比具有直角角部(22a-b)的标准线圈(14)更强的对所述电枢(118，218，318)的拉动作用。
16.一种阀装置(211)，包括：
外壳(212)；
阀体(230)；
入口端口(234a)和出口端口(234b)；
具有电磁线圈(214)的螺线管(210)；
由磁化材料构成的极片(216)；
相对于所述极片(216)可动的电枢(218)；且其特征在于
具有中心开口(215)的电磁线圈(214)以及提供沿所述中心开口变化的直径的构造。
17.如权利要求16所述的阀装置，其特征在于，所述中心开口具有上端和下端，且所述线圈在所述中心开口(215)的所述上端或所述下端中的至少一个上有带有斜面或半径的轮廓。
18.如权利要求16或17所述的阀装置(211)，其特征在于，所述线圈(214)沿所述中心开口(215)的所述上端和下端都有带有斜面(224a-b)或半径(324a-b)的轮廓。
19.如权利要求16至18中任一项所述的阀装置(211)，其特征在于，还包括芯部(219)，所述芯部的至少一部分延伸到所述线圈(214)与所述电枢(218)之间的所述中心开口(215)内。
20.如权利要求16至19中任一项所述的阀装置(211)，其特征在于，所述直径在所述中心开口(215)的中间区域内比在所述中心开口(215)的增大直径的区域内小，所述增大直径的区域从所述中心开口(215)长度的0.5％延伸到50％。
21.一种能通过电流通电的螺线管(110，210，310)，所述螺线管包括：
外壳(112，212，312)；
极片(116，216，316)，所述极片由磁化极材料构成；
电枢(118，218，318)，所述电枢在电流流经所述螺线管(110，210，310)时可动；以及
电磁线圈(114，214，314)，所述电磁线圈构造成在所述螺线管(110，210，310)通电时接纳流经线圈(114，214，314)的电流，所述线圈(114，214，314)具有带顶端、底端、环形外端和中心开口(115，215，315)的大体圆柱形构造，其特征在于，所述线圈(114，214，314)沿所述中心开口(115，215，315)延伸的一部分一般平行于所述环形外端延伸，而所述线圈(114，214，314)沿所述中心开口(115，215，315)的另一部分以不平行于所述环形外端的定向延伸。
22.如权利要求21所述的螺线管(110，210)，其特征在于，所述线圈(114，214，314)沿所述中心开口(115，215，315)有带有至少一个斜面(124a-b，224a-b)或半径(324a-b)的轮廓。
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