CN102918310B - 电磁操作切换装置及其致动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁操作切换装置，其包括电枢（82、102），该电枢具有用于在两个稳定静止位置之间位移的可磁化且可运动的部分（82b、102b）。两个极部件（60、62）设置在电枢的相对两侧上。极部件在电枢附近形成极性相反的极部，并且电枢在其各个稳定静止位置中被磁性地吸引到相应的极部件。线圈（54）布置成当线圈通电时使电枢的可运动部分极化，从而通过使线圈通电以使得电枢的可运动部分极化为极性与相邻极部件的极性相反，该可运动部分从一个稳定静止位置位移到另一个稳定静止位置。每个极部件（60、62）都包括永久磁体（68、70），这些永久磁体设置在电枢（82、102）的可运动部分（82b、102b）的相对两侧上。该装置可以构造为控制流体的流动。

Description

电磁操作切换装置及其致动方法

技术领域

本发明涉及电磁操作切换装置和用于操作这种装置的方法。更具体地，本发明涉及改进这些装置的磁性结构。本发明还涉及提供密封的快速流动切换装置。

背景技术

EP-A-1303719（由本申请人提交）描述了图1中示出的电磁操作装置。

线性电枢10夹在两个内部极部件12、14之间，这两个内部极部件自身夹在两个永久磁体16、18之间。两个外部构件20、22延伸超过磁体夹层结构的端部，并在其远侧端部处设置两个面向内的极部24、26。

两个内部极部件12、14延伸超过永久磁体16、18，在超过的位置处它们被线圈架30围绕，线圈32缠绕在该线圈架上。两个圆柱形插入件34、36装配在极部24、26中，并且该插入件的相对内端部限定了孔口38、40。

电枢可以通过由线圈32中的电流引起的磁场而偏转。根据线圈中电流的方向，电枢将会附接到极部26和插入件36，如图1中实线轮廓所示，或者将朝向另外的极部24和插入件34，如虚线轮廓所示。

在图1所示的已知构造中，存在超过装置外部尺寸的显著磁通泄漏区域40、42。这些区域还在该图中的平面上方和下方绕该装置水平地延伸。这在装置被流体围绕的应用中可能存在问题，原因是在这些区域中将有产生磁性碎片的风险，将可能导致流动损伤或者甚至堵塞。此外，磁通泄漏可能妨碍附近其它装置的操作。相似地，该装置可能易于受到外部磁场的影响。

发明内容

本发明提供一种电磁操作装置，其包括：

电枢，该电枢包括用于在两个稳定静止位置之间位移的可磁化且可运动的部分；

两个极部件，这两个极部件设置在电枢的相对两侧上，其中极部件在电枢附近形成极性相反的极部，并且电枢在其各个稳定静止位置中被磁性地吸引到相应的极部件；以及

线圈，该线圈布置成当线圈通电时使电枢的可运动部分极化，从而通过使线圈通电以使得电枢的可运动部分极化为极性与相邻极部件的极性相反，该可运动部分从一个稳定静止位置位移到另一个稳定静止位置，

其中每个极部件都包括永久磁体，这些永久磁体设置在电枢的可运动部分的相对两侧上。

因此，容器限制相对于线圈轴线沿径向方向的磁通泄漏，容纳装置内产生的磁通，并且将内部与外部磁通屏蔽。

永久磁体与电枢的可运动部分对准。它们沿着电枢的可运动部分的运动方向设置。这种构造相对于上述已知装置提供了更加紧凑的布置，原因是永久磁体在电枢的可运动部分的相对两侧上结合在极部件中，而不是占据线圈的相对侧上的额外空间。

这种磁体位置还改善了磁体与电枢的磁通结合。从一个永久磁体到另一个永久磁体的磁通线在它们之间形成为基本上直的路径，电枢的可运动部分位于这些路径中。

各个永久磁体可以定位成与电枢的相应稳定静止位置相邻。在这种构造中，当永久磁体设置在线圈的与电枢相同的一侧（相对于线圈轴线）上时，永久磁体能够在电枢上施加更强的磁性保持力。这与上述已知布置形成对比，其中永久磁体设置成远离电枢的运动方向且与电枢的运动方向侧向地间隔开。它们的磁通经由外部构件20、22和向内延伸的极部24、26沿着延伸的磁性路径结合到电枢。在该布置中，由永久磁体产生的磁通中较大比例的磁通结合在电枢的可运动部分所处的整个间隙上，从而它们的磁通更加有效地集中在包含电枢的可运动部分的区域中。

该装置可以包括磁通容器，该磁通容器相对于线圈的轴线绕永久磁体和线圈周向地延伸，其中当电枢的可运动部分处于其各个稳定静止位置时形成包括电枢、容器和极部件的磁路。

优选地，磁通容器还基本上相对于线圈轴线延伸过装置的一个或两个端部。这种布置提供了具有最小磁通泄漏的基本上磁性密封的装置。容器的屏蔽效应还用来避免装置的性能受到外部磁场的影响。在优选的构造中，装置的部件提供基本上封闭装置内部以避免磁通泄漏的磁通容器。

该容器优选地形成装置的壳体，该壳体内支撑各部件，从而提供紧凑的构造。这产生强的、被很好地保护的机械构造，而不需要围绕装置的额外壳体。

电枢可以包括柔性材料，以方便可运动部分相对于电枢的其余部分的运动。或者，电枢可以是刚性的，并且在装置操作时电枢整个运动或枢转。优选地，电枢被回弹性地偏压向其稳定静止位置之间的位置。这用来帮助电枢从一个静止位置朝向另一个静止位置加速运动，从而减少使电枢从一个位置移动到另一个位置所需的电能。为了实现这种情况，电枢可以包括回弹性材料。

在一些实施例中，可运动部分被回弹性地偏压所朝向的位置可以距一个极部件比距另一个极部件更近，从而提供不对称的双稳操作。这在一个稳定位置中提供了比另一个稳定位置更强的保持力，这在某些应用中可能是有利的。

该装置可以限定第一流体端口和第二流体端口，并且当电枢的可运动部分处于其各个稳定静止位置时相应的端口关闭。从而，该装置可以被构造成操作为流体流动控制装置。

优选地，第一端口和第二端口中每个都与由相应极部件限定的流体路径流体连通。以这种方式限定对端口的流体路径获得了用于装置的更加紧凑的构造。

该装置可以限定第三流体端口，当第一端口和第二端口中的一个端口关闭时，第三端口与第一端口和第二端口中的另一个端口之间的流体路径由该装置限定。

电枢的可运动部分的至少一部分可以在线圈内延伸。这允许可运动部分的长度比其它情况下的长度大。这意味着其远侧端部的行程范围可以更大。因此，由于电枢在处于关闭一个端口的稳定静止位置时位于远离另一个打开的端口较大距离处，所以可以允许第一和第二端口中每个具有较大流量。

在另一个实施例中，电枢的可运动部分通过柔性联接件可枢转地联接到装置内的支撑件。电枢的可运动部分布置成在联接件附近沿侧向延伸过支撑件。提供用于电枢和支撑件之间的磁通的结合的额外表面区域。这种较宽的磁性路径在某些构造中可能是期望的，以避免磁饱和。

优选地，电枢延伸到支撑件中，且电枢自身在可运动部分与由支撑件保持的固定部分之间形成柔性联接。与例如设置铰链相比，这提供了更加简化的构造。

支撑件可以由装置的线圈的磁性芯部提供。

附图说明

现在将参考附图，借助实例描述本发明的实施例，其中：

图1为已知的电磁操作装置的横截面侧视图；

图2为根据本发明的电磁操作装置的横截面透视侧视图；

图3A和3B为图2的致动器的横截面侧视图，其电枢分别处于其稳定静止位置；

图4为图2所示的装置的横截面透视图，其中移除了其端盖；

图5A和5B分别为施加在装置电枢上的磁力以及磁力和弯曲力组合对电枢行程范围内电枢的位置所绘制的曲线图；

图6为根据本发明的装置的另一个实施例的透视图；以及

图7和8分别为本发明另一个实施例的横截面侧视图和和透视图。

具体实施方式

应该指出的是，附图是示例性的，且不是按比例绘制的。为了图中清楚和方便起见，这些图的相对尺寸和比例已经示出了尺寸夸大或减小。相同的附图标记在修改的和不同的实施例中通常用来表示对应的或类似的特征。

图2、3A、3B和4示出了实施本发明的电磁操作装置。该装置容纳在由容器本体50和端盖52形成的容器中。容器本体为中空圆筒的形式，在一个端部处开口而在另一个端部处具有端部部分53，开口的端部与端盖52接合。

容器本体由具有高磁导率的材料形成。其可以包括铁磁材料。端盖还可以由高磁导率材料形成，使得由容器本体和端盖组合形成围绕装置内部的磁通容器。或者，在某些应用中，端盖可以由诸如铝的非磁性材料形成。

线圈54相对于本体同轴地安装在容器本体的端部部分53上。线圈芯部居中地设置在线圈绕组内。芯部分为两个半部56和58。线圈芯部可以延伸穿过容器本体的端部部分53或者可以容纳在其中。芯部沿轴向向内延伸，部分地穿过线圈。

一对极部件60和62设置在线圈和端盖之间。它们从容器本体的圆柱形壁沿径向向内延伸，以限定相对的、间隔开的极部件表面64、66。每个极部件60、62包括铁磁延伸部65、67、永久磁体68、70以及铁磁端部部件69、71。每个铁磁延伸部在容器本体50和相应的磁体之间延伸，以将每个磁体与本体间隔开，并且由此减少到外部的磁通泄漏。端部部件由相应的磁体承载，并且形成极部件表面。每个永久磁体68、70具有相对于容器的中心纵向轴线73沿径向对准的北极和南极，并且它们定向成使得极部件60在极部件表面64处形成南极，极部件62在极部件表面66处形成北极。

端部部件69、71设置成保护永久磁体68、70在装置使用期间不受机械磨损。它们优选地由耐腐蚀材料形成，例如铁素体铬钢（例如SS430或XP13）。

图2中示出了非磁性端盖52，原因是端盖较为靠近磁体68、70，以减小装置的轴向长度。如果端盖进一步远离磁体68、70，使得端盖到磁体的距离显著大于极端部部件69、71之间的空气间隙的长度，那么端盖可以包括具有高磁导率的材料，以便与容器本体50形成磁通容器的一部分。以这种方式将磁性端盖与磁体间隔开显著地减少了经由端盖从一个磁体到另一个磁体的内部磁通泄漏，否则将会减少作用在电枢的运动部分上的可用磁通的量。

每个极部件限定了相应的贯穿的流体路径72a、72b，该流体路径从装置的外部通过容器本体壁延伸到限定在极部件表面64、66中的第一和第二端口74、76。在每个极部件表面64、66中围绕每个端口74、76设置有能够回弹性地压缩的环密封件78、80。

铁磁延伸部65、67可以沿径向向外延伸穿过容器本体50，以形成超过容器的限定流体路径72a、72b的管状部分。

层状电枢82沿着装置的轴线延伸。第一部分82a固定就位并且夹在线圈芯部部件56、58之间。第二电枢部分82b离开线圈芯部延伸到装置中，延伸经过且超过线圈54，并且在极部件表面64、66之间延伸。电枢由回弹性的、可磁化的材料形成，使得部分82b能够在其行程的与极部件表面64（和/或密封件78）接触的一端和其行程的与极部件表面66（和/或密封件80）接触的另一端之间弯曲。永久磁体沿着电枢的运动方向定位。优选地，它们还紧靠着电枢。这些特征改善了磁体和电枢之间的磁通结合。

电枢可以包括弹簧钢。为了获得较大的耐腐蚀性，其可以包括铁素体铬钢（例如SS430或XP13）。

在合适的位置，除了端部部件69、71和电枢82的接合表面之外，内表面也被涂覆或以某种方式与在装置内部出现的流体密封以防止腐蚀。

在所示的实施例中，极部件表面位于平行的平面中，电枢部分82b成锥形，使得其厚度随着与线圈芯部的距离增大而减小，从而在行程位置的每个端部中，该电枢部分利用其与极部件表面的平面基本上平行的表面接合相应的极部件表面，由此封闭相应的端口（见图3A和3B）。或者，电枢部分82b可以具有平行的侧部，其中极部件表面成角度或者极部件表面的形状形成为在其行程接触位置的每个端部中与电枢部分的轮廓互补。

端盖52限定了第三流体端口84，该端口84与端盖通道86流体连通，端盖通道86从端口84延伸到装置外部。

容器本体50绕线圈54连续地且圆周地延伸，并且还圆周地围绕磁体68、70。容器本体的端部部分53从容器本体的圆柱形壁的一端沿径向向内延伸越过线圈54的外端面，并且接触或延伸越过线圈芯部（56、58）的外端。

在操作中，该装置是双稳的。图3A和3B示出了其两个稳定静止位置。在图3A中，电枢部分82b通过永久磁体68吸引到极部件60。对线圈54施加电流脉冲使得电枢的第二部分82b极化。在图3A的情况下，如果电流通过线圈的方向在电枢部分82b中形成南极，那么其被永久磁体68的南极排斥，并且被磁体70的北极吸引。从而，电枢部分82b从其与极部件表面64接合的稳定静止位置切换到与极部件表面66接触的另一个稳定静止位置，如图3B所示。

一旦磁性吸引力小于电枢产生的机械弹簧力，电枢部分82b的回弹性特性就促进电枢朝向另一个极部件的快速移开动作。这意味着需要较少的电能输入到线圈中来切换该装置。小于1毫秒的脉冲长度可以是足够的。

在每个稳定静止位置中，由电枢、线圈芯部、容器本体以及极部件中的一个极部件形成闭合磁路。这用来使得装置的磁通泄漏最小化。

线圈芯部仅仅部分地延伸通过线圈，以容纳较长的第二电枢部分82b（与图1所示的已知构造相比）。这改善了电枢的在其稳定静止位置之间的行程范围与电枢在弯曲时受到的应力大小之间的平衡。对于较长的行程，允许较高的流量通过端口74、76。

在图4中可以看到，容器本体壁50为在极部件之间延伸的圆柱形。这使得容器本体壁和永久磁体68、70之间保持明显的间距，并且用来减少经由装置的容器从一个磁体到另一个磁体的磁通结合。

应当理解，该装置可以操作成通过向线圈54施加适当的电流脉冲而以多种方式控制流体流。

例如，其可以用来将与端盖端口84连接的高压供应选择性地切换到第一端口74或第二端口76。在另一种应用中，通过利用电枢关闭第二端口76，与端口74连接的高压供应可以联接到端盖端口84。在电枢已经切换以关闭第一端口74之后，与端盖端口84联接的负载可以随后将流体排放到第二端口76。在另一个操作模式中，与端盖端口联接的高压供应可以连接到第一端口74，或反之亦然，同时电枢关闭第二端口76。

图5A和5B中绘制出了在电枢整个行程范围内作用在电枢上的力。

图5A仅仅示出了作用在电枢上的磁力。可以看到，在其行程的在1.2mm处的中点的任一侧，电枢由于永久磁体68、70施加的净力而被偏压向极部件中的一个，从而使其具有双稳特性。如果沿任一方向向线圈施加10A的脉冲（如虚线所示），那么可以看到，作用在电枢上的合力足以在电枢行程的任何位置处克服由永久磁体施加的力，并且迫使电枢进入其两个稳定静止位置中的一个。

在图5B中，考虑由于电枢的回弹性所导致的弯曲力的影响。可以看到，这在施加电流脉冲以将电枢从一个稳定静止位置切换到另一个稳定静止位置时增加了电枢所受到的合力的大小。

根据本发明对应实施例的容器构造有效地用来磁性密封该装置，而不需要用于该目的的单独壳体。容器还用来气动地/液压地密封内部。

紧凑的整装构造允许该装置用作“插入”阀，从而提供空间高效的多阀能力。

图6示出了根据本发明的另一个电磁操作切换装置。其结构和操作与以上相对于图2至5B所述的实施例的结构和操作类似。不同之处在于，其没有被磁性容器围绕，该磁性容器也气动地或液压地密封装置的内部。

图6的装置具有侧面开口的构造。由铁磁材料形成的U形支撑件提供经由每个永久磁体回到线圈芯部56、58的磁返回路径。在图6所示的构造中，支撑件由两个L形支撑件90、92形成，一个支撑件为另一个支撑件的镜像。U形支撑件可以改为例如制成为单个部件。

极部件60、62安装在支撑件90、92中的每个支撑件的支段的一个端部处。每个支撑件的另一个支段延伸过线圈54的外端面和相应的线圈芯部56、58。每个支撑件的横截面足够大，以提供良好的磁返回路径，从而基本上容纳在装置操作期间产生的磁通，而不会饱和。

该装置可以插入到单独的流体地密封的容器中。其提供双稳阀，该双稳阀能够承受装置内部与周围环境之间的正的或负的压差。

图7和8所示的实施例与图6的实施例类似，不同的是包括替代形式的电枢构造。在图6中，可以看到，电枢的可运动部分82b在其延伸离开线圈芯部56、58时具有恒定的横截面，其端部部分成锥形，使得层状电枢的厚度朝向其远侧端部减小。

在某些应用中，由于在电枢接触线圈芯部的位置处由电枢提供的磁通路径的横截面不够，在装置操作期间可能会出现磁饱和。图7和8的实施例中解决了这个问题。可以看到，在这个实施例中，电枢的可运动部分102b已经被修改为使得其紧靠着线圈芯部56、58的端面沿侧向延伸过这些端面。通过增大与电枢的平面垂直的尺寸，在靠近线圈芯部处增大电枢的可运动部分的厚度。从而，可运动部分的沿侧向延伸的端部的横截面面积显著大于电枢的固定部分的横截面面积。这具有较大的表面区域，以用于电枢和线圈芯部之间的磁通的结合。在线圈芯部56、58的端面与沿侧向延伸的电枢部分102b的相对表面之间的整个窄间隙104上出现额外的磁通结合。这提供了较宽的磁通路径，而不会影响电枢的柔性，这得益于在整个间隙104上延伸的窄颈部部分。如图所示，可运动部分102b在颈部部分的任一侧延伸相等的距离。然后，电枢的厚度随着离开线圈芯部的距离增大而渐缩，以使得相对的表面用于与相应的极部件端面的平面平行接合。

间隙104被构造为足够宽，以便在电枢中提供充分的柔性，同时足够窄，以便在整个间隙上提供从电枢到线圈芯部中的充分磁通结合。

Claims (11)

1.一种电磁操作装置，其包括：

电枢，该电枢包括用于在两个稳定静止位置之间位移的可磁化且可运动的部分；

两个极部件，这两个极部件设置在电枢的相对两侧上，其中极部件在电枢附近形成极性相反的极部，并且电枢在其各个稳定静止位置中被磁性地吸引到相应的极部件；以及

线圈，该线圈布置成当线圈通电时使电枢的可运动部分极化，从而通过使线圈通电以使得电枢的可运动部分极化为极性与相邻极部件的极性相反，该可运动部分从一个稳定静止位置位移到另一个稳定静止位置，

其中每个极部件都包括永久磁体，这些永久磁体设置在电枢的可运动部分的相对两侧上，

并且其中电枢的可运动部分通过柔性联接件可枢转地联接到线圈的磁性芯部，电枢延伸到该线圈的磁性芯部中，且线圈的磁性芯部仅仅部分地沿着线圈延伸。

2.根据权利要求1所述的装置，其中该电枢包括柔性材料，以方便电枢的可运动部分的运动。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中可运动部分被回弹性地偏压向其稳定静止位置之间的位置。

4.根据权利要求3所述的装置，其中可运动部分被回弹性地偏压所朝向的位置距一个极部件比距另一个极部件更近。

5.根据权利要求1、2或4所述的装置，其包括磁通容器，该磁通容器相对于线圈的轴线绕永久磁体和线圈周向地延伸，其中当电枢的可运动部分处于其各个稳定静止位置时形成包括电枢、容器和极部件的磁路。

6.根据权利要求1、2或4所述的装置，其中该装置限定了第一流体端口和第二流体端口，并且当电枢的可运动部分处于其各个稳定静止位置时相应的端口关闭。

7.根据权利要求6所述的装置，其中第一端口和第二端口中每个都与由相应极部件限定的流体路径流体连通。

8.根据权利要求6所述的装置，其中该装置限定了第三流体端口，并且当第一端口和第二端口中的一个端口关闭时，第三端口与第一端口和第二端口中的另一个端口之间的流体路径由该装置限定。

9.根据权利要求1、2、4、7或8所述的装置，其中电枢的可运动部分的至少一部分在线圈内延伸。

10.根据权利要求1、2、4、7或8所述的装置，其中：

电枢的可运动部分在柔性联接件附近沿侧向延伸过线圈的磁性芯部，以提供用于电枢和线圈的磁性芯部之间的磁通的结合的额外表面区域。

11.根据权利要求1、2、4、7或8所述的装置，其中电枢自身形成柔性联接件。