CN102637504A - 高速双向永磁复位比例电磁铁 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速双向永磁复位比例电磁铁。外壳内同轴装有线圈骨架，骨架外侧面开有三个环形槽，线性霍尔传感器粘结在中间环形槽内，在两侧的环形槽内反向绕制并串联有电磁线圈，线圈骨架一侧与后端盖固接；线圈骨架内同轴装有圆筒推杆，有杆的一端伸出在电磁铁外壳外与电磁铁外壳孔为间隙配合，永磁外环套在圆筒推杆另一端的外侧；圆筒推杆内同轴装有永磁内环，永磁内环通过固定螺钉紧固在零位调整螺钉小端面。本发明通过内外永磁环组成线性磁弹簧，具有相当高的磁弹簧弹性模量，并降低动铁芯质量，提高电磁铁系统固有频率，通过线性霍尔传感器位置反馈，与外部比例放大器构成位移闭环调节系统，提高阀芯位移调节精度和系统闭环频宽。

Description

高速双向永磁复位比例电磁铁

技术领域

本发明涉及一种电磁铁，尤其涉及一种高速双向永磁复位比例电磁铁。

背景技术

气动比例控制技术是传统的开关型气动技术向比例伺服控制方向发展的新型应用技术。气动比例伺服阀是气动伺服定位运动控制系统必需的核心元件，是机电气一体化产品的典型代表。气动比例伺服元件的开发代表着气动元件生产企业最高科技研发水平。

比例电磁铁是气动比例阀的关键组成部分，其输入一般是比例放大器输出的电流或电压信号，输出为推拉力或者位移，并带动比例阀的阀芯运动，从而对气动回路的压力、流量等参数连续调节。比例电磁铁输出力或位移同输入控制信号间的各种静态特性以及频率响应等动态响应性能对气动比例阀的工作性能有重要影响。

已有的比例电磁铁广泛采用动铁式结构。该结构具有输出力大、结构简单的优点，但动铁质量大，惯性大，线圈电感量大，非线性和迟滞明显，系统响应慢，且仅能单向运动，需要外部机械弹簧复位，存在零位死区，一般只能用于低速的比例减压阀等，不能满足有快速动态响应要求的气动比例伺服流量方向阀需求。

发明内容

针对现有比例电磁铁存在的不足，本发明的目的在于提出一种高速双向永磁复位比例电磁铁，适用于有快速响应需求的气动比例阀，特别是气动比例伺服流量方向阀需要。

本发明所采用的技术方案是：

包括电磁铁外壳、圆筒推杆、永磁内环、固定螺钉、永磁外环、线圈骨架、电磁线圈、线性霍尔传感器、固定螺母、引线孔、非导磁螺钉、后端盖和零位调整螺钉；电磁铁外壳内同轴装有线圈骨架，线圈骨架的外侧面开有三个环形槽，线性霍尔传感器粘结在中间环形槽内，在两侧的环形槽内反向绕制并串联有两个电磁线圈，线圈骨架一侧通过非导磁螺钉与后端盖固接；线圈骨架内同轴装有圆筒推杆，圆筒推杆有杆的一端伸出在电磁铁外壳外，圆筒推杆有杆的一端与电磁铁外壳孔为间隙配合，永磁外环套在圆筒推杆另一端的外侧并用固定螺母在台阶上固定，永磁外环与线圈骨架的内侧面为间隙配合；圆筒推杆内同轴装有永磁内环，永磁内环通过固定螺钉紧固在零位调整螺钉小端面，零位调整螺钉大端与后端盖中心开有的通孔通过螺纹相配合；后端盖外端面开有两个引线孔，后端盖与电磁铁外壳通过螺钉固定连接。

所述的电磁铁外壳、圆筒推杆、固定螺钉、线圈骨架、固定螺母、后端盖和零位调整螺钉均为非导磁材料。

本发明的有益效果在于：

1.内外双永磁环结构产生线性磁弹簧特性，起到复位和产生平衡反力作用，且无机械弹簧的零位死区；

2.内外双永磁环结构能产生很高磁弹簧刚度和较大的可用行程。在产生同等推力或位移情况下，动铁芯质量显著减小，惯性大大降低，明显提高系统响应频宽；

3.通过调节零位调整轴的位置，由永磁内外环之间的磁弹簧力带动动铁芯移动，可从外部方便调整比例伺服流量方向阀阀芯的零位对中；

4.采用线性霍尔传感器测量永磁外环位置，方便与外部比例放大器构成阀芯位置闭环控制，进一步能显著提高整个比例伺服流量方向阀的阀芯位置控制精度和系统的动态响应速度。

本发明在气动比例控制技术中应用前景广阔，并可对气动元件制造企业带来好的经济和社会效益。

附图说明

附图1是本发明的结构剖视图。

附图1中：1.电磁铁外壳，2.圆筒推杆，3.永磁内环，4.固定螺钉，5.永磁外环，6.线圈骨架，7.电磁线圈，8.线性霍尔传感器，9.固定螺母，10.引线孔，11.非导磁螺钉，12.后端盖，13.零位调整螺钉。

具体实施方式

下面结合附图1和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明包括电磁铁外壳1、圆筒推杆2、永磁内环3、固定螺钉4、永磁外环5、线圈骨架6、电磁线圈7、线性霍尔传感器8、固定螺母9、引线孔10、非导磁螺钉11、后端盖12和零位调整螺钉13；电磁铁外壳1内同轴装有线圈骨架6，线圈骨架6的外侧面开有三个环形槽，线性霍尔传感器8粘结在中间环形槽内，在两侧的环形槽内反向绕制并串联有两个电磁线圈7，线圈骨架6一侧通过非导磁螺钉11与后端盖12固接；线圈骨架6内同轴装有圆筒推杆2，圆筒推杆2有杆的一端伸出在电磁铁外壳1外，圆筒推杆2有杆的一端与电磁铁外壳1孔为间隙配合，永磁外环5套在圆筒推杆2另一端的外侧并用固定螺母9在台阶上固定，永磁外环5与线圈骨架6的内侧面为间隙配合；圆筒推杆2内同轴装有永磁内环3，永磁内环3通过固定螺钉4紧固在零位调整螺钉3小端面，零位调整螺钉13大端与后端盖12中心开有的通孔通过螺纹相配合；后端盖12外端面开有两个引线孔10，后端盖12与电磁铁外壳1通过螺钉固定连接。

所述的电磁铁外壳1、圆筒推杆2、固定螺钉4、线圈骨架6、固定螺母9、非导磁螺钉11、后端盖12和零位调整螺钉13均为非导磁材料。

根据以上所述的结构，本发明为一种输出力和行程较大、可双向运动、无机械弹簧由永磁力自行复位、无零位死区、动铁质量小而又结构简单、动态特性好的高速双向永磁复位比例电磁铁。

根据所需的弹簧弹性模量和行程，选择适当的永磁材料，设计计算永磁内环3和永磁外环5的所需尺寸，并经轴向充磁，能使永磁内环3和永磁外环5之间形成具有所需弹性模量的线性磁弹簧，永磁外环5在水平方向的运动行程为工作行程。通过将永磁外环5装配进圆筒推杆2，再用固定螺母9紧固连接，使三者组成本比例电磁铁的动铁芯部分。将该动铁芯部分装入电磁铁外壳1。在线圈骨架6上反向串联绕制两个电磁线圈7，然后将线圈骨架6通过非导磁螺钉11装配在后端盖12上。电磁线圈7的引线通过下侧的引线孔10引出到电磁铁的后端盖12外。最后将零位调整螺钉13旋入后端盖12的螺纹孔内。通过调整零位调整螺钉13的位置，由于永磁力带动永磁外环5水平向微动，使动铁芯部分产生精确位置对中。零位调整螺钉13和后端盖12螺纹孔为紧配合，位置对中后可通过涂胶使零位调整螺钉13固定连接。

本发明的工作原理如下：

永磁内环3和永磁外环5之间形成具有一定弹性模量的永磁弹簧特性，起到使动铁芯部分自动复位对中作用。消除了外部机械复位弹簧，无需机械弹簧的预压紧力和间隙，从而消除了动铁芯的零位死区。该种内外双永磁环结构能明显提高永磁体利用效率，在形成所需的永磁弹簧弹性模量的情况下能显著降低永磁外环5的质量，根据系统动力学知识，可显著提高该比例电磁铁的无阻尼自然角频率。位于永磁外环5径向外侧的电磁线圈7在通以一定方向的电流时，可对永磁外环5产生水平方向的电磁力，由于电磁线圈7为串联差动式结构，使该电磁力在有效行程内可保持为水平恒力特性，与动铁芯位移无关，且有效行程由电磁线圈7和永磁外环5的的轴向长度尺寸确定。有效行程由电磁线圈7和永磁外环5轴向长度共同确定，非单一由线圈确定。（所谓有效行程指在该行程内，电磁力能保持为近似恒定，与位移无关，仅与激励电流大小成比例）该种结构的优点是电磁线圈7的尺寸可以任意设计，从而允许更大的线圈匝数和工作电流，从而能产生更高的电磁力，使电磁铁动铁芯部分获得更高的运动速度。

所述的反向绕制并串联的两个电磁线圈7形成左右两侧的差动式电磁线圈结构。永磁外环5为轴向充磁，故左右侧分别为N,S级，若两个线圈同向绕制，则电磁场的方向一致，会使永磁外环5产生方向左右相反的推拉力，使永磁外环5无法运动，因此必须反向绕制。只有反向绕制，因电磁场方向相反，能使作用于永磁外环5的电磁力方向一致，是2倍于单个线圈的力，一则能增大输出力，二是由于单个线圈对永磁外环5的水平作用力随位移变化可能存在一定程度的非线性，但左右两侧的这种差动式结构刚好可以抵消单个线圈的非线性，从而使电磁力呈现较高的线性度。

在线圈骨架6中两个电磁线圈7的中间位置粘结线性霍尔传感器8，能够测量永磁外环5的水平方向位置，传递给外部的比例放大器，能构成阀芯的位移闭环调节。线性霍尔传感器8的连接线缆可通过后端盖12上侧的引线孔11引出。

通过控制电磁线圈7的激励电流可以获得所需的水平向电磁力。当电磁力和永磁弹簧反力平衡时，动铁芯产生所需行程，能用于调节比例方向阀阀芯开口大小。通过线性霍尔传感器8测量永磁外环位置，再与外部比例放大器一起，能构成阀芯位移闭环控制，能进一步显著提高阀芯位置调节精度和阀的动态特性。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，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 (2)

1.一种高速双向永磁复位比例电磁铁，其特征在于：包括电磁铁外壳（1）、圆筒推杆（2）、永磁内环（3）、固定螺钉（4）、永磁外环（5）、线圈骨架（6）、电磁线圈（7）、线性霍尔传感器（8）、固定螺母（9）、引线孔（10）、非导磁螺钉（11）、后端盖（12）和零位调整螺钉（13）；电磁铁外壳（1）内同轴装有线圈骨架（6），线圈骨架（6）的外侧面开有三个环形槽，线性霍尔传感器（8）粘结在中间环形槽内，在两侧的环形槽内反向绕制并串联有两个电磁线圈（7），线圈骨架（6）一侧通过非导磁螺钉（11）与后端盖（12）固接；线圈骨架（6）内同轴装有圆筒推杆（2），圆筒推杆（2）有杆的一端伸出在电磁铁外壳（1）外，圆筒推杆（2）有杆的一端与电磁铁外壳（1）孔为间隙配合，永磁外环（5）套在圆筒推杆（2）另一端的外侧并用固定螺母（9）在台阶上固定，永磁外环（5）与线圈骨架（6）的内侧面为间隙配合；圆筒推杆（2）内同轴装有永磁内环（3），永磁内环（3）通过固定螺钉（4）紧固在零位调整螺钉（13）小端面，零位调整螺钉（13）大端与后端盖（12）中心开有的通孔通过螺纹相配合；后端盖（12）外端面开有两个引线孔（10），后端盖（12）与电磁铁外壳（1）通过螺钉固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种高速双向永磁复位比例电磁铁，其特征在于：所述的电磁铁外壳（1）、圆筒推杆（2）、固定螺钉（4）、线圈骨架（6）、固定螺母（9）、后端盖（12）和零位调整螺钉（13）均为非导磁材料。

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