CN104361973A - 直动式双向比例电磁铁 - Google Patents
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Abstract
直动式双向比例电磁铁，包括隔磁环、第一导套、第二导套、衔铁、推杆、控制线圈、线圈保持架；线圈保持架沿周向开有凹槽，用于绕制控制线圈，组成电流激励源；第一导套、第二导套的圆柱体极靴与衔铁外圆柱体隔气隙相对，形成气隙相等的左极靴对和右极靴对；第一永磁体和第二永磁体的同性磁极分别吸合在衔铁的左右两端，第一永磁体另一磁极与第一导磁件吸合，第二永磁体的另一磁极与第二导磁件吸合；第一永磁体和第二永磁体的两级分别通过第一导磁件或第二永磁体和第一导套、第二导套形成第一永磁磁场和第二永磁磁场；衔铁推杆与衔铁连接；第一导套、第二导套分别在隔磁环的两侧，并与隔磁环连接在一起。
Description
技术领域
本发明属于流体传动及控制领域中电(气)液伺服/比例阀用的电-机械转换机构，尤其涉及一种直动式双向比例电磁铁。
背景技术
电-机械转换器作为电液伺服/比例阀中重要的核心部件，在国防及民用工业如航空航天、军事、机床、矿山、冶金和工程机械等领域的电液控制系统中起着重要作用，其性能优劣关系到整个电液伺服/比例阀的性能。
在现有的伺服/比例阀中大量采用动铁式电-机械转换器即比例电磁铁作为电-机械转换器，比例电磁铁的比例特性即水平的位移-力特性，在比例电磁铁的有效行程内，当线圈电流一定时，其输出力保持恒定。
如图1a、1b和图1c，传统比例电磁铁的典型结构，采用了隔磁环结构，形成特殊形式的磁路Φ1和Φ2，通过磁通Φ1产生的端面力和磁通Φ2产生的附加轴向力所产生的合力来得到整个比例电磁铁的输出力FM，从而得到了水平的位移-力特性即比例特性，为得到比例特性，对隔磁环的加工工艺要求高；传统的比例电磁铁多采用两个线圈实现双向驱动的功能，体积占的比重大，而且需要弹簧来实现复位，对弹簧的设计要求高，结构复杂，并且弹簧的可压缩性以及磁路的不对称性都会使衔铁在零位保持不稳定。
参照图1a、1b和1c，传统比例电磁铁的典型结构，此比例电磁铁包括推杆1＇、工作气隙2＇、非工作气隙3＇、衔铁4＇、轴承环5＇、隔磁环6＇、导套7＇、限位片8＇。导套7＇前后两端由导磁材料制成，中间用一段非导磁材料(隔磁环6＇)焊接；衔铁4＇前端装有推杆1＇，用以输出力或位移，后端装有弹簧和调节螺钉组成的调零机构，可在一定范围内对比例电磁铁特性曲线进行调整；采用隔磁环6＇使电磁铁形成特殊的磁路形式，当给控制线圈通入一定电流时，比例电磁铁产生两条磁路，一条磁路Φ1由前端盖，沿轴向工作气隙，进入衔铁，穿过导套后段和导磁外壳回到前端盖，另一条磁路Φ2则是由前端盖，沿径向工作气隙进入衔铁，整个比例电磁铁的输出力是由磁路Φ1和Φ2所产生电磁力的合力。
发明内容
为了克服传统的比例电磁铁需要两个线圈进行双向驱动，进而体积大的不足，对弹簧设计要求高，零位保持不稳定，采用隔磁环得到比例特性的电磁铁，加工工艺复杂等缺点，本发明提供一种单相线圈双向驱动的比例电磁铁。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
直动式双向比例电磁铁包括隔磁环5、第一导套2、第二导套6、衔铁12、衔铁推杆16、控制线圈4、线圈保持架3；
线圈保持架3沿周向开有凹槽，用于绕制控制线圈4，组成电流激励源；
第一导套2和第二导套6的圆柱体极靴与衔铁12外圆柱体隔气隙相对，形成气隙相等的左极靴对和右极靴对；
第一永磁体13和第二永磁体11采用平行充磁方式、同性磁极分别吸合在衔铁12的左右两端，并且第一永磁体13通过第一导磁件14经第一导套2和衔铁12形成第一永磁极化磁场，第二永磁体11通过第二导磁件10经第二导套6和衔铁12形成第二永磁极化磁场；
所述衔铁推杆16与衔铁12过盈连接，衔铁推杆16的两端通过直线轴承8和17与端盖间隙配合；
所述衔铁12的两侧外表面分别设置在左右极靴对的气隙中，衔铁12、第一永磁体13、第二永磁体11、第一导磁件14和第二导磁件10组成一个运动组件，第一导磁件14和第二导磁件10与各自一侧的端盖之间都设有弹簧。该运动组件结构简单，有效减少运动组件运动的滞回，其运动组件可以随阀芯转轴的轴线方向平动；
第一导套2和第二导套6分别布置在隔磁环5的两侧，并与隔磁环5焊接在一起，直线轴承8和17分别与右端盖7、左端盖1过盈配合，安装在端盖里面；
线圈保持架3、衔铁推杆16用不导磁的金属材料制成，衔铁12、第一导套2、第二导套6、第一导磁件14、第二导磁件10则是用高导磁率的软磁材料制成。
本发明的有益效果主要体现在：1、本发明采用单个线圈双向驱动的方式，体积小，控制简单；利用永磁体提供电磁刚度以起到复位弹簧的作用，避免了由于弹簧的疲劳、断裂和腐蚀而带来的电磁铁可靠性差、使用寿命短等问题，结构简单，成本低；2、采用对称的结构形式，当电磁铁处于零位时，两个永磁体产生的极化磁场大小相等，方向相反，其合力为零，这样电磁铁可以可靠保持在零位；3、采用导磁件、永磁体与衔铁的组合件作为动铁芯，永磁体与衔铁一起运动，在运动过程中，永磁体产生的永磁力可灵活地转换，电磁铁的动态响应快，由于电磁刚度的存在，电磁铁换向和复位时冲击和噪声小，工作稳定；4、根据经典理论中的气隙磁导公式可知传统的比例电磁铁气隙δ是变化的，采用隔磁环结构，两路磁通产生的合力得到整个比例电磁铁的输出力，即得到比例特性，而本发明的气隙δ则是不变的，根据电磁力经典理论公式气隙磁导Gδ对气隙δ的导数不变，那么得出的电磁力也将是一个常数，说明电磁力不随着衔铁的移动而发生变化，即输出水平的位移-力特性，可得到比例电磁铁的比例特性，与传统电磁铁相比，既得到了比例特性，又简化了结构，加工工艺也变得简单。
附图说明
图1a为传统比例电磁铁的结构示意图
图1b为传统比例电磁铁的端面力、附加轴向力及其合力的示意图
图1c为传统比例电磁铁的磁通示意图
图2为本发明的结构原理示意图。
图3a是第一永磁体13的两级通过第一导磁件14和第一导套2、第二导套6形成第一永磁磁场的示意图
图3b是第二永磁体11通过第二导磁件10和第二导套6、第一导套2形成第二永磁磁场的示意图
图3c为本发明的控制线圈4通电时的产生的磁场示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
参照图2～图3c，本发明的双向比例电磁铁包括衔铁部件、轭铁部件、左端盖1和右端盖7，所述衔铁部件包括第一导磁件14、控制线圈4、第一导套2、第二导套6、第二导磁件10、衔铁12、衔铁推杆16等，所述衔铁推杆16一端通过端盖1与比例阀的阀芯相连，另一端与外界连接；所述控制线圈4环绕在线圈保持架3上组成电流激励源，激励源产生的磁通途经第一导套2和第二导套6，进入衔铁12，形成闭合回路；
轭铁部件包括第一永磁体13、第二永磁体11、隔磁环5，所述第一永磁体13和第二永磁体11的同性磁极分别吸附在衔铁12两侧，另一侧则分别吸附在第一导磁件14和第二导磁件10上，将其沿轴向分别极化成N极和S极；第一导套2和第二导套6中间放置隔磁环5，使得通入导套的磁通能够进入衔铁12中，形成闭合回路；
为满足上述永磁极化磁通和电流磁通的要求，左端盖1、右端盖7、隔磁环5、线圈保持架3、衔铁推杆16均为非导磁材料制成的非导磁体，第一导磁件14、第一导套2、第二导套6、第二导磁件10、衔铁12均为高导磁率的软磁材料制成的导磁体；
如图3a、3b和3c，是两个永磁体以及线圈通电时各自产生的磁路图，当控制线圈不通电时，第一永磁体13和第二永磁体11所产生的极化磁场是对称分布的，它们的合力为零，即初始位置。
本发明的工作原理是：如图3a、3b和3c，当控制线圈4不通电时，第一永磁体13和第二永磁体11产生永磁极化磁场，图3a和3b是两个极化磁场的磁路图，由于衔铁12和第一导套2、第二导套6的极靴之间的气隙δ2和δ3是相等的，第一导磁件14和第二导磁件10分别与第一导套2和第二导套6的极靴之间的气隙δ1和δ4也是相等的，所以第一导磁件14、第一永磁体13、衔铁12、第二永磁体11和第二导磁件10所组成的组合件受到的电磁力相互抵消而使得衔铁12处于中间的平衡位置，衔铁12维持不动。当有外力推动它时，电磁铁会在外力消失后马上回到平衡位置。当控制线圈4通入图3c所示方向的电流时，第一永磁体13和第二永磁体11产生的极化磁场与电流控制磁场的差动作用使得衔铁12与第二导套6的径向气隙δ3处磁场强度增强，衔铁12与第一导套2的径向气隙δ2处磁场强度减弱，此时第一导磁件14、第一永磁体13、衔铁12、第二永磁体11和第二导磁件10所组成的组合件带动衔铁推杆16轴向向磁场增强的方向移动，直到达到新的平衡；同理，当控制线圈4通入图示相反方向电流时，第一导磁件14、第一永磁体13、衔铁12、第二永磁体11和第二导磁件10所组成的组合件与衔铁推杆16，带动阀芯也向磁场增强的方向移动，可以看出衔铁输出力的大小与电流强度成正比，力的方向则取决于电流方向。当控制线圈4断电时，只有第一永磁体13和第二永磁体11产生的永磁极化磁通，此时第二导套6和衔铁12的径向间隙δ3处磁通，与第一导套2和衔铁12的径向间隙δ2处的磁通不相等，第一导磁件14、第一永磁体13、衔铁12、第二永磁体11和第二导磁件10所组成的组合件将带动衔铁推杆16向磁场增强的方向移动，直到达到另一新的平衡，即初始位置。
本发明则采用特殊的结构形式，消除了隔磁环加工工艺复杂的缺点，仅需单个线圈就可实现双向驱动的功能，并且采用磁回复的结构，结构简单可靠，成本低。
上述具体实施方式用来解释本发明，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 (1)
1.直动式双向比例电磁铁，其特征在于：包括隔磁环(5)、第一导套(2)、第二导套(6)、衔铁(12)、衔铁推杆(16)、控制线圈(4)、线圈保持架(3)；线圈保持架(3)沿周向开有凹槽，用于绕制控制线圈(4)，组成电流激励源；
所述的第一导套(2)、第二导套(6)的圆柱体极靴与衔铁(12)外圆柱体隔气隙相对，形成气隙相等的左极靴对和右极靴对；
第一永磁体(13)和第二永磁体(11)以平行充磁的方式、同性磁极分别吸合在衔铁(12)的左右两端，第一永磁体(13)另一磁极与第一导磁件(14)吸合，第二永磁体(11)的另一磁极与第二导磁件(10)吸合；第一永磁体(13)的两级通过第一导磁件(14)和第一导套(2)、第二导套(6)、衔铁(12)形成第一永磁极化磁场，第二永磁体(11)的两级通过第二导磁件(10)和第二导套(6)、第一导套(2)、衔铁(12)形成第二永磁极化磁场；
所述衔铁推杆(16)与衔铁(12)连接，所述衔铁推杆(16)的两端则通过直线轴承与端盖间隙配合；
所述衔铁(12)的两侧外表面分别设置在左右极靴对的气隙中，衔铁(12)、第一永磁体(13)、第二永磁体(11)、第一导磁件(14)和第二导磁件(10)组成一个运动组件，第一导磁件(14)和第二导磁件(10)与各自一侧的端盖之间都设有弹簧；
第一导套(2)、第二导套(6)分别在隔磁环(5)的两侧，并与隔磁环(5)连接在一起；
所述的线圈保持架(3)、衔铁推杆(16)用不导磁的金属材料制成，衔铁(12)、第一导套(2)、第二导套(6)、第一导磁件(14)、第二导磁件(10)则是用高导磁率的软磁材料制成。
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