CN102563179B

CN102563179B - 无静耗电磁阀

Info

Publication number: CN102563179B
Application number: CN 201210003922
Authority: CN
Inventors: 屈百达
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2012-01-09
Filing date: 2012-01-09
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2032-01-09
Also published as: CN102563179A

Abstract

一种不需要强力保持、又能稳定在给定工作状态的简单结构无静耗电磁阀。它利用驱动线圈对永久磁铁的电磁作用实现工作状态的快速转换，利用可滑移永久磁铁和阀芯外壁相对于滑缸套和阀套内壁的摩擦力实现工作状态的稳定保持。其阀体部为包括阀套、阀芯和连杆的执行主体结构，其驱动部为包括连杆、电路骨架、永磁体、滑缸腔、滑缸套、电磁线圈、电触点、电路接线室、接线端子的电磁驱动机构。

Description

无静耗电磁阀

技术领域

本发明涉及一种气、液压系统控制器件，具体地说是一种开关电磁阀。

背景技术

随着能源紧缺问题日益严重，气、液压系统控制器件的节能也就日益成为亟待解决的问题，特别对于大、中型轻、化工、石油等企业。目前，几乎所有电磁阀均由电磁铁驱动动作并保持，不论常开还是常闭型式，总有一个转换动作和一个状态需要电能消耗。而且，这种类型开关电磁阀的转换动作受到结构、弹簧、润滑等多种因素影响，工作可靠性很难长期保证；同时，这种类型的开关电磁阀不仅在工作中耗能，也有由于保持电流波动而造成开通、关断不彻底或开通不稳的隐患，而在许多应用场合，特别是低电压工作情况，这种通过耗能的强力保持，隐患更大。而在许多应用场合，这种通过耗能的强力保持大可不必。这意味着几乎全部静态能耗可以节省，这是个不可小觑的数字。因此，开发一种不需要强力保持、又能稳定在给定工作状态的无静耗电磁阀，具有重大技术、经济意义。

发明内容

为减少电磁阀不必要的能耗，实现工作状态的稳定保持，提高电磁阀的工作效率，本发明提供一种不需要强力保持、又能稳定在给定工作状态的简单结构无静耗电磁阀。它利用驱动线圈对永久磁铁的电磁作用实现工作状态的快速转换，利用可滑移永久磁铁和阀芯外壁相对于滑缸套和阀套内壁的摩擦力实现工作状态的稳定保持。其阀体部为包括阀套、阀芯和连杆的执行主体结构，其驱动部为包括连杆、电路骨架、永磁体、滑缸腔、滑缸套、电磁线圈、电触点、电路接线室、接线端子的电磁驱动机构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

无静耗电磁阀利用驱动线圈对永久磁铁的电磁作用实现工作状态的快速转换，利用可滑移永久磁铁和阀芯外壁相对于滑缸套和阀套内壁的摩擦力实现工作状态的稳定保持。其结构分为左部的阀体部和右部的驱动部。阀体部为包括阀套、阀芯和连杆的执行主体结构，驱动部为包括连杆、电路骨架、永磁体N极、永磁体S极、滑缸腔、滑缸套、电磁线圈、反位电触点、反位触头、正位触头、正位电触点、电路接线室、正向驱动接线端子、正位电触点接线端子、电磁线圈正位接线端子、电磁线圈反位接线端子、反位电触点接线端子、反向驱动接线端子的电磁驱动机构；其中阀套与滑缸套为由间壁相隔的两腔一体结构，由非铁磁材料制成。

在阀套内的阀芯与连杆的一端紧固机械连接，连杆的另一端与永磁体N极的左断面紧固机械连接；连杆穿过阀套与滑缸套的间壁，并与该间壁构成气密滑动配合；永磁体N极与永磁体S极为同体柱形结构，其外侧壁与滑缸腔的内侧壁滑动配合。在滑缸腔的左内壁，挖有一槽室，槽室内装嵌一对常闭的反位电触点；在永磁体N极的左端面，对应反位电触点装嵌有一突出的反位触头，用以在反向到位时触开反位电触点。在滑缸腔的右内壁，挖有一槽室，槽室内装嵌一对常闭的正位电触点；在永磁体S极的右端面，对应正位电触点装嵌有一突出的正位触头，用以在正向到位时触开正位电触点。电路骨架紧固套装在滑缸套的外侧壁上；电路骨架分为左中部的电磁线圈骨架部和右部的电路接线室。

在电路接线室内，装置有驱动信号转换电路和内外线接线端子。电磁线圈正位接线端子与电磁线圈的一端构成电连接，电磁线圈反位接线端子与电磁线圈的另一端构成电连接；正位电触点接线端子和正向驱动接线端子分别与正位电触点的两接线端构成电连接；反位电触点接线端子和反向驱动接线端子分别与反位电触点的两接线端构成电连接。

本发明的有益效果是：减少了不必要的静态能耗，实现了工作状态的稳定保持，灵活性好，适应性强，只需改变接线就可应用于不同的操控方式，同时提高了电磁阀的工作效率；同时，该方法可免除平衡或回复弹簧，从而使结构更加简单，加之其电、气、液隔离、动、静分离的结构特点使得产品不但工作可靠性高，而且易于标准化和批量生产。

附图说明

下面结合附图所示的实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明——无静耗电磁阀的结构视图。

图2是本发明的一操控实施例——无静耗电磁阀驱动信号转换电路结构图。

图3是本发明的另一操控实施例——无静耗电磁阀的直接操作电路结构图。

图4是无静耗电磁阀的工作信号时序示意图。

图1～3中：1.阀套，2.阀芯，3.连杆，4.电路骨架，5.电磁线圈，6.滑缸腔，7.反位电触点，8.反位触头，9.永磁体N极，10.永磁体S极，11.滑缸套，12.正位触头，13.正位电触点，14.电路接线室；p_o.正向驱动接线端子，p_k.正位电触点接线端子，p.电磁线圈正位接线端子，n.电磁线圈反位接线端子，n_k.反位电触点接线端子，n_o.反向驱动接线端子。

图2中：s为驱动信号输入端，C为微分电容，E为工作电源正极端，R_P1为正向偏置电阻，R_P2为正向分压电阻，R_N2为反向分压电阻，R_N1为反向偏置电阻，Q_P1为正向上臂MOSFET器件，Q_N1为反向下臂MOSFET器件，LC_N为反向隔离光耦，R_N3为反向信号分压电阻，D_N为反向隔离二极管，R_P3为正向信号分压电阻，D_P为正向隔离二极管，LC_P为正向隔离光耦，Q_N2为反向上臂MOSFET器件，Q_P2为正向下臂MOSFET器件，L为电磁线圈等效电感。

图3中：NB_P为正向操作键，NB_N为反向操作键。

图4中：v_s为驱动信号电平电压，v_pn为输出到电磁线圈等效电感p-n端的驱动电压。

具体实施方式

在附图1所示的无静耗电磁阀结构视图中：

无静耗电磁阀分为左部的阀体部和右部的驱动部。阀体部为包括阀套1、阀芯和连杆3的执行主体结构，驱动部为包括连杆3、电路骨架4、永磁体N极9、永磁体S极10、滑缸腔6、滑缸套11、电磁线圈5、反位电触点7、反位触头8、正位触头12、正位电触点13、电路接线室14、正向驱动接线端子p_o、正位电触点接线端子p_k、电磁线圈正位接线端子p、电磁线圈反位接线端子n、反位电触点接线端子n_k、反向驱动接线端子n_o的电磁驱动机构；其中阀套1与滑缸套11为由间壁相隔的两腔一体结构，由非铁磁材料制成。

在阀套1内的阀芯2与连杆3的一端紧固机械连接，连杆3的另一端与永磁体N极9的左断面紧固机械连接；连杆3穿过阀套1与滑缸套11的间壁，并与该间壁构成气密滑动配合；永磁体N极9与永磁体S极10为同体柱形结构，其外侧壁与滑缸腔6的内侧壁滑动配合。在滑缸腔6的左内壁，挖有一槽室，槽室内装嵌一对常闭的反位电触点7；在永磁体N极9的左端面，对应反位电触点7装嵌有一突出的反位触头8，用以在反向到位时触开反位电触点7。在滑缸腔6的右内壁，挖有一槽室，槽室内装嵌一对常闭的正位电触点13；在永磁体S极10的右端面，对应正位电触点13装嵌有一突出的正位触头12，用以在正向到位时触开正位电触点13。电路骨架4紧固套装在滑缸套11的外侧壁上；电路骨架4分为左中部的电磁线圈5骨架部和右部的电路接线室14。

在电路接线室14内，装配有驱动信号转换电路和内外线接线端子。电磁线圈正位接线端子p与电磁线圈5的一端构成电连接，电磁线圈反位接线端子n与电磁线圈5的另一端构成电连接；正位电触点接线端子p_k和正向驱动接线端子p_o分别与正位电触点13的两接线端构成电连接；反位电触点接线端子n_k和反向驱动接线端子n_o分别与反位电触点7的两接线端构成电连接。

在附图2所示的无静耗电磁阀驱动信号转换电路结构图中：

驱动信号转换电路应用于高低电平控制的操控方式，由微分电容C、正向偏置电阻R_P1、正向分压电阻R_P2、反向分压电阻R_N2、反向偏置电阻R_N1、P沟道增强型正向上臂MOSFET器件Q_P1、N沟道增强型反向下臂MOSFET器件Q_N1、反向隔离光耦LC_N、反向信号分压电阻R_N3、反向隔离二极管D_N、正向信号分压电阻R_P3、正向隔离二极管D_P、正向隔离光耦LC_P、N沟道增强型反向上臂MOSFET器件Q_N2、P沟道增强型正向下臂MOSFET器件Q_P2、电磁线圈等效电感L构成。

驱动信号输入端s连接到微分电容C的负极。正向偏置电阻R_P1的一端连接到工作电源正极端E，正向偏置电阻R_P1的另一端与正向分压电阻R_P2的一端连接；正向偏置电阻R_P1与正向分压电阻R_P2的连接点与正向上臂MOSFET器件Q_P1的栅极连接。反向分压电阻R_N2的一端与反向偏置电阻R_N1的一端连接，反向偏置电阻R_N1的另一端接地；反向分压电阻R_N2与反向偏置电阻R_N1的连接点与反向下臂MOSFET器件Q_N1的栅极连接。正向上臂MOSFET器件Q_P1的源极连接到工作电源正极端E，正向上臂MOSFET器件Q_P1的漏极与反向下臂MOSFET器件Q_N1的漏极连接；反向下臂MOSFET器件Q_N1的源极接地。反向隔离光耦LC_N的1、4脚连接到工作电源正极端E，反向隔离光耦LC_N的2脚和4脚分别与反向信号分压电阻R_N3的一端和反向上臂MOSFET器件Q_N2的栅极连接。正向隔离光耦LC_P的1脚和4脚分别与正向信号分压电阻R_P3的一端和正向下臂MOSFET器件Q_P2的栅极连接，反向隔离光耦LC_N的2、4脚接地。反向信号分压电阻R_N3的另一端与正向信号分压电阻R_P3的另一端连接，该连接点连接到微分电容C的正极。反向隔离二极管D_N的负极与反向上臂MOSFET器件Q_N2的栅极连接，反向隔离二极管D_N的正极与反向分压电阻R_N2的另一端连接。正向隔离二极管D_P的正极与正向下臂MOSFET器件Q_P2的栅极连接，正向隔离二极管DP_N的负极与正向分压电阻R_P2的另一端连接。反向上臂MOSFET器件Q_N2的漏极连接到工作电源正极端E，反向上臂MOSFET器件Q_N2的源极连接到反位电触点7的反向驱动接线端子n_o。正向下臂MOSFET器件Q_P2的源极连接到正位电触点13的正向驱动接线端子p_o，正向下臂MOSFET器件Q_P2的漏极接地。

在高低电平控制的操控方式下：正向上臂MOSFET器件Q_P1漏极与反向下臂MOSFET器件Q_N1漏极的连接点连接到电磁线圈5，即电磁线圈等效电感L的电磁线圈正位接线端子p；反位电触点7的反位电触点接线端子n_k和正位电触点13的正位电触点接线端子p_k均连接到电磁线圈5，即电磁线圈等效电感L的电磁线圈反位接线端子n。

在附图3所示的无静耗电磁阀的直接操作电路结构中：

直接操作电路应用于脉冲电平控制的操控方式，由双联常开式正向操作键NB_P和反向操作键NB_N构成。

正向操作键NB_P的上联进线端连接到工作电源正极端E，正向操作键NB_P的下联进线接线端接地，正向操作键NB_P的下联出线接线端连接到电磁线圈5，即电磁线圈等效电感L的电磁线圈反位接线端子n；正向操作键NB_P的上联出线接线端连接到正位电触点13的正向驱动接线端子p_o；正位电触点13的正位电触点接线端子p_k连接到电磁线圈5，即电磁线圈等效电感L的电磁线圈正位接线端子p。

反向操作键NB_N的下联进线端连接到工作电源正极端E，反向操作键NB_N的上联进线接线端接地，反向操作键NB_N的上联出线接线端连接到电磁线圈5，即电磁线圈等效电感L的电磁线圈正位接线端子p；反向操作键NB_N的下联出线接线端连接到反位电触点7的反向驱动接线端子n_o；反位电触点7的反位电触点接线端子n_k连接到电磁线圈5，即电磁线圈等效电感L的电磁线圈反位接线端子n。

在所示的无静耗电磁阀工作信号时序示意图中，当需要电磁阀从一个状态(如图1的当前位，即阀芯2到正(右)位)向另一个状态(如图1的阀芯2到反(左)位)转换时，如t₃时刻，输出到电磁线圈等效电感p-n端的驱动电压v_pn使得电磁阀电磁线圈5通以一个方向(如反向的由n端向p端)的驱动电流，使永磁体N极9与永磁体S极10的同体结构受电磁力作用而迅速向左滑动，该结构通过连杆3推动阀芯2迅速向左同步滑动。当该滑动过程使得永磁体N极9左端面的反位触头8触碰到反位电触点7并将其触开时，如t₄时刻，表明阀芯2到反位，反向驱动电路被切断，输出到电磁线圈等效电感p-n端的驱动电压v_pn由反向电平电压回到零。同时，如果应用于高低电平控制的操控方式，则有本发明的无静耗电磁阀驱动信号转换电路(如图2)操控实施例运行：驱动信号输入端s电压处于低电平，即驱动信号电平电压v_s的t₁前或t₃后段，微分电容C的反向发电再正向充电导致反向驱动电路，即驱动电路反向输出的反向下臂MOSFET器件Q_N1-反向上臂MOSFET器件Q_N2支路关断；如果应用于脉冲电平控制的操控方式，则有本发明的无静耗电磁阀直接操作电路(如图3)操控实施例运行：反向操作键NB_N的回弹即反向输出支路关断。反之，当需要电磁阀从阀芯2的反(左)位向阀芯2的正(右)位转换时，电磁阀电磁线圈5通以一个正向(由p端向n端)的驱动电流，使永磁体N极9与永磁体S极10的同体结构受电磁力作用而迅速向右滑动，该结构通过连杆3拉动阀芯2迅速向右同步滑动。当该滑动过程使得永磁体S极10右端面的正位触头12触碰到反位电触点13并将其触开时，即t₂时刻，表明阀芯2到正位，正向驱动电路被切断，输出到电磁线圈等效电感p-n端的驱动电压v_pn由正向电平电压回到零。同时，如果应用于高低电平控制的操控方式，即本发明的无静耗电磁阀驱动信号转换电路操控实施例运行，则驱动信号输入端s电压为高电平，即驱动信号电平电压v_s的t₁-t₃段，微分电容C的正向放电再反向充电导致正向驱动电路，即驱动电路正向输出的正向上臂MOSFET器件Q_P1-正向下臂MOSFET器件Q_P2支路关断；如果应用于脉冲电平控制的操控方式，即本发明的无静耗电磁阀直接操作电路操控实施例运行，则正向操作键NB_P的回弹即正向输出支路关断。

Claims

1.一种无静耗电磁阀，分为左部的阀体部和右部的驱动部；阀体部为包括阀套、阀芯和连杆的执行主体结构，驱动部为包括连杆、电路骨架、永磁体N极、永磁体S极、滑缸腔、滑缸套、电磁线圈、反位电触点、反位触头、正位触头、正位电触点、电路接线室、正向驱动接线端子p_o、正位电触点接线端子p_k、电磁线圈正位接线端子p、电磁线圈反位接线端子n、反位电触点接线端子n_k、反向驱动接线端子的电磁驱动机构；其中阀套与滑缸套为由间壁相隔的两腔一体结构，由非铁磁材料制成；其特征是：

利用驱动线圈对永久磁铁的电磁作用实现工作状态的快速转换，利用可滑移永久磁铁和阀芯外壁相对于滑缸套和阀套内壁的摩擦力实现工作状态的稳定保持；

在阀套内的阀芯与连杆的一端紧固机械连接，连杆的另一端与永磁体N极的左断面紧固机械连接；连杆穿过阀套与滑缸套的间壁，并与该间壁构成气密滑动配合；永磁体N极与永磁体S极为同体柱形结构，其外侧壁与滑缸腔的内侧壁滑动配合;在滑缸腔的左内壁，挖有一槽室，槽室内装嵌一对常闭的反位电触点；在永磁体N极的左端面，对应反位电触点装嵌有一突出的反位触头，用以在反向到位时触开反位电触点；在滑缸腔的右内壁，挖有一槽室，槽室内装嵌一对常闭的正位电触点；在永磁体S极的右端面，对应正位电触点装嵌有一突出的正位触头，用以在正向到位时触开正位电触点；电路骨架紧固套装在滑缸套的外侧壁上；电路骨架分为左中部的电磁线圈骨架部和右部的电路接线室；

在电路接线室内，装置有驱动信号转换电路和内外线接线端子；电磁线圈正位接线端子p与电磁线圈的一端构成电连接，电磁线圈反位接线端子n与电磁线圈的另一端构成电连接；正位电触点接线端子p_k和正向驱动接线端子p_o分别与正位电触点的两接线端构成电连接；反位电触点接线端子n_k和反向驱动接线端子分别与反位电触点的两接线端构成电连接。

2.根据权利要求1所示的无静耗电磁阀，其特征是：电路接线室内装配有驱动信号转换电路，以应用于高、低电平控制的操控方式；驱动信号转换电路由微分电容C、正向偏置电阻R_P1、正向分压电阻R_P2、反向分压电阻R_N2、反向偏置电阻R_N1、P沟道增强型正向上臂MOSFET器件Q_P1、N沟道增强型反向下臂MOSFET器件Q_N1、反向隔离光耦LC_N、反向信号分压电阻R_N3、反向隔离二极管D_N、正向信号分压电阻R_P3、正向隔离二极管D_P、正向隔离光耦LC_P、N沟道增强型反向上臂MOSFET器件Q_N2、P沟道增强型正向下臂MOSFET器件Q_P2、电磁线圈等效电感L构成。

3.根据权利要求2所示的无静耗电磁阀，其特征是：在驱动信号转换电路中，驱动信号输入端s连接到微分电容C的负极;正向偏置电阻R_P1的一端连接到工作电源正极端E，正向偏置电阻R_P1的另一端与正向分压电阻R_P2的一端连接；正向偏置电阻R_P1与正向分压电阻R_P2的连接点与正向上臂MOSFET器件Q_P1的栅极连接；反向分压电阻R_N2的一端与反向偏置电阻R_N1的一端连接，反向偏置电阻R_N1的另一端接地；反向分压电阻R_N2与反向偏置电阻R_N1的连接点与反向下臂MOSFET器件Q_N1的栅极连接;正向上臂MOSFET器件Q_P1的源极连接到工作电源正极端E，正向上臂MOSFET器件Q_P1的漏极与反向下臂MOSFET器件Q_N1的漏极连接；反向下臂MOSFET器件Q_N1的源极接地；反向隔离光耦LC_N的1、4脚连接到工作电源正极端E，反向隔离光耦LC_N的2脚和4脚分别与反向信号分压电阻R_N3的一端和反向上臂MOSFET器件Q_N2的栅极连接；正向隔离光耦LC_P的1脚和4脚分别与正向信号分压电阻R_P3的一端和正向下臂MOSFET器件Q_P2的栅极连接，反向隔离光耦LC_N的2、4脚接地；反向信号分压电阻R_N3的另一端与正向信号分压电阻R_P3的另一端连接，该连接点连接到微分电容C的正极；反向隔离二极管D_N的负极与反向上臂MOSFET器件Q_N2的栅极连接，反向隔离二极管D_N的正极与反向分压电阻R_N2的另一端连接;正向隔离二极管D_P的正极与正向下臂MOSFET器件Q_P2的栅极连接，正向隔离二极管DP_N的负极与正向分压电阻R_P2的另一端连接；反向上臂MOSFET器件Q_N2的漏极连接到工作电源正极端E，反向上臂MOSFET器件Q_N2的源极连接到反位电触点7的反向驱动接线端子n_o；正向下臂MOSFET器件Q_P2的源极连接到正位电触点13的正向驱动接线端子p_o，正向下臂MOSFET器件Q_P2的漏极接地。

4.根据权利要求1或2所示的无静耗电磁阀，其特征是：在高低电平控制的操控方式下，正向上臂MOSFET器件Q_P1漏极与反向下臂MOSFET器件Q_N1漏极的连接点连接到电磁线圈，即电磁线圈等效电感L的电磁线圈正位接线端子p；反位电触点的反位电触点接线端子n_k和正位电触点的正位电触点接线端子p_k均连接到电磁线圈，即电磁线圈等效电感L的电磁线圈反位接线端子n。

5.根据权利要求1所示的无静耗电磁阀，其特征是：

在脉冲电平控制的操控方式下，电路接线室内装配的正向驱动接线端子p_o、正位电触点接线端子p_k、电磁线圈正位接线端子p、电磁线圈反位接线端子n、反位电触点接线端子n_k和反向驱动接线端子n_o，与双联常开式正向操作键NB_P和反向操作键NB_N构成直接操作电路；

正向操作键NB_P的上联进线端连接到工作电源正极端E，正向操作键NB_P的下联进线接线端接地，正向操作键NB_P的下联出线接线端连接到电磁线圈，即电磁线圈等效电感L的电磁线圈反位接线端子n；正向操作键NB_P的上联出线接线端连接到正位电触点的正向驱动接线端子p_o；正位电触点的正位电触点接线端子p_k连接到电磁线圈，即电磁线圈等效电感L的电磁线圈正位接线端子p；

反向操作键NB_N的下联进线端连接到工作电源正极端E，反向操作键NB_N的上联进线接线端接地，反向操作键NB_N的上联出线接线端连接到电磁线圈，即电磁线圈等效电感L的电磁线圈正位接线端子p；反向操作键NB_N的下联出线接线端连接到反位电触点的反向驱动接线端子n_o；反位电触点的反位电触点接线端子n_k连接到电磁线圈，即电磁线圈等效电感L的电磁线圈反位接线端子n。