CN103714941A - 一种小型化超高速螺线管电磁铁 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小型化超高速螺线管电磁铁，包括极靴、轴承座、顶针、衔铁、隔磁环、挡铁、弹簧、螺钉、线圈、轭铁、第一滑动轴承和第二滑动轴承；所述小型化超高速螺线管电磁铁的体积不大于9.35
，所述小型化超高速螺线管电磁铁的直径方向不大于19mm,所述小型化超高速螺线管电磁铁的重量不大于42g，衔铁克服不大于20N弹簧力、运动有效行程不大于0.15mm，输入电流不大于0.7A驱动时电磁铁响应速度小于0.8ms；该小型化超高速螺线管电磁铁体具有积小、重量轻、驱动能力强、成本低和响应速度快的特点。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种螺线管电磁铁，尤其是一种使用常规PWM信号控制的小型化超高速螺线管电磁铁。
背景技术
螺线管电磁铁广泛应用于自动控制领域，用于驱动主阀等机械构件，实现电驱动的自动控制，其典型应用包括各类电磁阀，如飞行器流体控制系统、发动机燃烧系统和各类行驶机械的变速系统。
螺线管电磁铁由绕制成管状的漆包线通入电流产生电磁吸力，作用在由软磁材料制成的衔铁上由衔铁（或与衔铁一体的零件）输出电磁力。螺线管电磁铁的主要指标包括克服反力（预紧弹簧力或介质作用力）驱动元件做功的能力和接受输入信号后完成动作的时间即响应速度。由于漆包线绕制成管状存在一定电感，驱动电压增加到电磁铁上时，电流需要一定时间才能够上升，使得电磁铁的响应时间相应变慢。当衔铁需要克服较大的反作用力时，响应速度会变得更慢，目前未见驱动能力达到20N量级的超高速螺线管微型电磁铁。常规的螺线管电磁铁在达到2ms的响应速度时已经很难在提高响应速度，且电磁铁的直径均超过20mm，重量超过50g。
为了提高螺线管电磁铁的响应速度，一种的做法是增加电磁力，例如增加螺线管内绕指的漆包线的匝数，增大输入电流，增加有效的电磁吸合面积等等，另一种做法是减轻运动件的重量，包括降低衔铁等在电磁力驱动时运动的零件的重量。漆包线匝数的增加很大的增加了电磁铁的体积和重量，对于体积和重量有严格要求的产品很难实施，增大输入电流使得电磁铁的寿命显著缩短，可靠性降低。使用超大电流启动和维持电流的控制策略使得电磁铁的控制系统变得复杂，成本显著增高。增大有效电磁吸合面积的做法虽然电磁力有所增加，但是运动件的重量也跟随增加，最终使得响应速度始终维持在2ms以上的范围而无法实现更快的相应速度。为了获得更快的响应速度，例如减小1ms的响应时间，往往需要采用大量昂贵的软磁合金材料，使得电磁铁的制造成本高昂，极大限制了超高速开关电磁铁的应用。某些特定场合，对螺线管的电磁铁体积、重量、驱动力禾响应速度都有严格要求，要求电磁铁体积尽量小，重量尽量轻，驱动力尽量大，响应速度尽量快，这些要求使得电磁铁的设计和制造极其困难。
现有的螺线管电磁铁结构主要有以下几点不足：
1）体积较大，一般直径均在20mm以上。
2）重量较大，一般重量均在50g以上。
3）较大驱动力时（例如20N）响应速度达不到超高速开关电磁铁1ms以内响应速度的指标。
发明内容
本发明专利目的是提供一种成本低廉，控制简单，体积小，重量轻，驱动力大，响应速度快的小型化超高速螺线管电磁铁。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：包括极靴、轴承座、顶针、衔铁、隔磁环、挡铁、弹簧、螺钉、线圈、轭铁、第一滑动轴承和第二滑动轴承构成，所述衔铁为圆柱形、其内部设有直径不等的四个同心圆孔，所述隔磁环为杯状薄壁结构、且位于衔铁与挡铁之间，所述挡铁三段同心圆柱结构、且内部设置有通孔，所述通孔右端设置有螺纹，所述线圈设置有信号输入用第一电插针和第二电插针，所述第二滑动轴承安装在极靴左端，所述第一滑动轴承安装在位于极靴内部的轴承座上，所述小型化超高速螺线管电磁铁的体积不大于9.35 
，所述小型化超高速螺线管电磁铁的直径方向不大于19 mm, 所述小型化超高速螺线管电磁铁的重量不大于42g，衔铁克服不大于20N弹簧力、运动有效行程不大于0.15mm，输入电流不大于0.7A驱动时电磁铁响应速度小于0.8ms。
作为优选：所述极靴为软磁极靴，其左端设置有用于安装定位的螺纹结构，表面设置有防腐蚀层。
作为优选：所述顶针和衔铁铆接为一体。
作为优选：所述隔磁环和挡铁铆接为一体。
作为优选：弹簧一端安装在衔铁右端孔内，穿过挡铁上的通孔，且右端安装在螺钉上。
本发明的有益技术效果是：
1、本发明专利采用普通软磁材料和普通防腐处理方式，零件加工简单，装配容易，成本低。
2、本发明专利产品体积小，电磁铁直径不大于19mm。
3、本发明专利产品重量轻，重量不大于42g。
4、本发明专利产品响应速度快，在额定工作压力和驱动信号下，响应速度达0.8ms。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明专利一种小型化超高速螺线管电磁铁的结构示意图；
图2为本发明专利一种小型化超高速螺线管电磁铁实测电磁力与衔铁位移关系结果的示意图；
其中附图标记为：1-极靴，2-轴承座，3-顶针，4-衔铁，5-隔磁环，6-挡铁，7-弹簧，8-螺钉，9-线圈，9a-第一电插针，9b-第二电插针，10-轭铁，11a-第一滑动轴承，11b-第二滑动轴承。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅图1所示，本发明提供一种小型化超高速螺线管电磁铁，包括极靴1、轴承座2、顶针3、衔铁4、隔磁环5、挡铁6、弹簧7、螺钉8、线圈9、轭铁10、第一滑动轴承11a和第二滑动轴承11b构成，所述衔铁4为圆柱形，内设直径不等的四个同心圆孔（未图示）、且分别用于安装定位顶针3和放置弹簧7，所述隔磁环5为杯状薄壁结构、其位于衔铁4与挡铁6之间，所述挡铁6为三段同心圆柱结构、且内部设置有通孔（未图示），所述通孔右端设置有螺纹（未图示），所述线圈9设置有信号输入用第一电插针9a和第二电插针9b，所述第二滑动轴承11b安装在极靴1左端，所述第一滑动轴承11a安装在位于极靴1内部的轴承座2上，所述小型化超高速螺线管电磁铁的体积不大于9.35
，所述小型化超高速螺线管电磁铁的直径方向不大于19 mm, 所述小型化超高速螺线管电磁铁的重量不大于42g，衔铁克服不大于20N弹簧力、运动有效行程不大于0.15mm，输入电流不大于0.7A驱动时电磁铁响应速度小于0.8ms。
极靴1由软磁材料构成，左端设置有用于安装定位的螺纹结构，表面设置有腐蚀层（未图示）。顶针3和衔铁4铆接为一体，衔铁4可在轴承座2和挡铁6之间往复运动。弹簧7一端安装在衔铁4右端孔内，穿过挡铁5上的通孔，右端安装在螺钉8上。
极靴1、衔铁4挡铁6和轭铁10由常用软磁材料制成，构成电磁铁通电时线圈9产生的磁场的磁力线回路，且表面均经防腐蚀处理。轭铁10两端设置有环形槽（未图示），用于定位和连接极靴1和挡铁6，均采用铆接变形方式连接，安装便捷，坚固可靠。极靴1和衔铁4之间留有间隙，使衔铁4在往复运动时不受极靴1影响且可减小电磁铁的电感。线圈9与衔铁4、挡铁6之间留有间隙，使得衔铁4往复运动时不受线圈9影响，且安装方面。弹簧座8设置有圆柱状凸起，用于安装定位弹簧7并放置弹簧7在衔铁4往复运动压缩时与挡铁6内孔避免摩擦。隔磁环5采用非导磁材料制成，降低断电时电磁铁内剩磁影响，提高电磁铁释放响应速度。隔磁环5采用铆接方式与挡铁6连接，放置衔铁4高速往复运动撞击使隔磁环5脱落。第一滑动轴承11a、第二滑动轴承11b采用特种材料制成，具有极低摩擦系数，且能够耐受220℃以上高温。顶针4与第一滑动轴承11a、第二滑动轴承11b之间预留间隙，用于补偿温度变化导致的材料热蠕变，补偿温差范围为-40℃～200℃。顶针3采用非导磁材料制成，表面经防腐蚀处理，且可根据不同需求改变顶针3形状以实现不同应用需求。
参阅图2所示，图2为小型化超高速螺线管电磁铁实测电磁力与衔铁位移关系结果的示意图，其中Y方向代表电磁铁输出力（N），X方向代表衔铁与挡铁的距离（MM），图中的坐标点代表24V驱动电磁力。
实际应用表明，该电磁阀在设定弹簧力20N、衔铁有效行程0.15mm驱动电流0.7A时响应速度达到0.8ms，且电磁铁体积仅9.35，直径径19mm，重量42g。采用高电平24V、频率为200Hz的PWM信号驱动时，其占空比工作范围为16%～84%。其体积小、重量轻响应速度快的特点可广泛用于对体积和重量有严格限制又要求电磁铁具有超高速响应速度的装置，如飞行器姿态、轨道控制系统等。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围内的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会限制于本文所示的这些实施例，而是要符合于本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种小型化超高速螺线管电磁铁，其特征在于：包括极靴、轴承座、顶针、衔铁、隔磁环、挡铁、弹簧、螺钉、线圈、轭铁、第一滑动轴承和第二滑动轴承构成，所述衔铁为圆柱形、其内部设有直径不等的四个同心圆孔，所述隔磁环为杯状薄壁结构、且位于衔铁与挡铁之间，所述挡铁三段同心圆柱结构、且内部设置有通孔，所述通孔右端设置有螺纹，所述线圈设置有信号输入用第一电插针和第二电插针，所述第二滑动轴承安装在极靴左端，所述第一滑动轴承安装在位于极靴内部的轴承座上，所述小型化超高速螺线管电磁铁的体积不大于9.35 
，所述小型化超高速螺线管电磁铁的直径方向不大于19 mm, 所述小型化超高速螺线管电磁铁的重量不大于42g，衔铁克服不大于20N弹簧力、运动有效行程不大于0.15mm，输入电流不大于0.7A驱动时电磁铁响应速度小于0.8ms。
2.根据权利要求1所述一种小型化超高速螺线管电磁铁，其特征在于：所述极靴为软磁极靴，其左端设置有用于安装定位的螺纹结构，表面设置有防腐蚀层。
3.根据权利要求1所述的一种小型化超高速螺线管电磁铁，其特征在于：所述顶针和衔铁铆接为一体。
4.根据权利要求1所述的一种小型化超高速螺线管电磁铁，其特征在于：所述隔磁环和挡铁铆接为一体。
5.根据权利要求1所述的一种小型化超高速螺线管电磁铁，其特征在于：弹簧一端安装在衔铁右端孔内，穿过挡铁上的通孔，且右端安装在螺钉上。
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