CN104896171B - 一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀，包括阀体和阀盖，所述阀体内设置有旋转磁力开关结构、位置检测结构、磁离合传动结构和传感器，所述旋转磁力开关结构，包括动芯组件、动芯内置的磁铁组件和弹簧组件，所述动芯组件包括动芯、动芯盖板和动芯驱动盘，所述弹簧组件包括设置于动芯上部的副弹簧和下部的主弹簧，所述磁铁组件包括设置于动芯内部的主磁铁和动芯驱动盘内部的副磁铁。本发明的目的在于提供一种符合低功耗、位置反馈、单一信号控制、无外泄漏和多种工作模式的要求，可普遍应用于需要精准控制或测量的流体管道系统的脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀。

Description

一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀

技术领域

本发明涉及电控阀的技术领域，尤其是涉及一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀。

背景技术

目前，市场上普遍使用的电控阀有：电池供电电磁阀、脉冲式双稳态电磁阀、位置反馈电磁阀和微型电机驱动双稳态电磁阀。

电池供电电磁阀：采用双线圈设计，吸合线圈产生足够强的电磁力以克服弹簧力使连在动铁芯上的密封件产生位移到达目标位置；保持线圈产生相对小的电磁力用以维持动铁芯的状态不变；不给线圈供电则动铁芯在弹簧力的作用下恢复到初始位置。可参考的燃气灶具用电池阀产品：默认状态封闭，外部泄漏<0.02L/h，有温升。3V电池供电，吸合线圈6欧姆,保持线圈380欧姆；而吸合功率为1.50W，保持功率为0.02368W。存在的问题：(1)功耗比较低，但无法满足电池持续使用1年以上的要求；(2)线圈需持续供电，电压不稳会引起状态不稳；(3)无位置反馈；(4)存在外泄漏；(5)需要两个控制对象(或控制信号)。

脉冲式双稳态电磁阀：双电控自保持脉冲电磁阀初始状态关闭状态，电磁阀的打开和关闭，分别单独由一个线圈控制。自动化控制时，向开阀线圈输入一个脉冲电源(小于3秒)，电磁阀打开，断电后，电磁阀仍然处于打开状态；需要关闭时，向关阀线圈输入一个脉冲电源(小于3秒)，电磁阀关闭，断电之后，电磁阀仍然处于关闭状态。也有正负脉冲控制同一线圈实现双稳态的设计。通常供电DC12V、功率10W。存在的问题：(1)长期工作功耗很高；(2)无位置反馈；(3)存在外泄漏；(4)需要两个控制对象(或控制信号)。

位置反馈电磁阀：在双稳态电磁阀的基本结构上，安装一个位置传感器，同时采用非固定脉宽驱动；方案还设计了具有自动纠错功能的驱动电路。存在的问题：(1)长期工作功耗高；(2)有传感器和专用驱动电路，成本高；(3)存在外泄漏；(4)需要两个控制对象(或控制信号)。

一种微型电机驱动的双稳态电磁阀，包括由阀座、阀盖组成的带密闭的内腔的阀体。所述阀体内腔里设置有可活动的膜片，膜片将阀体内腔分隔为第一空腔和第二空腔，膜片上设置有穿透膜片的连接第一空腔和第二空腔的细水道；阀座上设置有进水水道连通第一空腔，阀座上还设置有出水水道，膜片覆盖在出水水道上分隔出水水道和第一空腔，其特征在于：所述第二空腔上设置有连通出水水道的泄压水道，所述泄压水道上设置有陶瓷阀芯开关，所述阀盖上设置有驱动陶瓷阀芯开关动作的微型电机。存在的问题：(1)长期工作功耗高；(2)无位置反馈；(3)存在外泄漏。

发明内容

基于以上的问题，本发明的目的在于提供一种符合低功耗、位置反馈、单一信号控制、无外泄漏和多种工作模式的要求，可普遍应用于需要精准控制或测量的流体管道系统的脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀。

一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀，包括阀体和阀盖，所述阀体内设置有旋转磁力开关结构、位置检测结构、磁离合传动结构和传感器，所述旋转磁力开关结构，包括动芯组件、动芯内置的磁铁组件和弹簧组件，所述动芯组件包括动芯、动芯盖板和动芯驱动盘，所述弹簧组件包括设置于动芯上部的副弹簧和下部的主弹簧，所述磁铁组件包括设置于动芯内部的主磁铁和动芯驱动盘内部的副磁铁。

优选地，所述磁离合传动结构包括阀体、阀体内置的磁离合片和与磁离合片相咬合的手动机构齿条，所述手动机构齿条上部设置有手动推杆、手动推杆柄和相配合的复位弹簧，手动机构齿条下方设置有复位弹簧，所述手动推杆卡设于导向定位槽中。

优选地，所述位置检测结构包括动芯驱动盘和阀体上盖板，所述动芯驱动盘上均匀设置有凸点，所述阀体上盖板上设置有定位槽，所述定位槽内置有微型检测开关。

优选地，所述传感器包括流量传感器和压力传感器。

优选地，所述流量传感器包括传感器壳体和卡扣于传感器壳体表面筋条的传感器盖体，所述传感器壳体内置有导向环，所述导向环上方设置有导轮，导轮内置有磁体。

优选地，所述压力传感器包括传感器壳体与传感器盖体通过螺纹连接，所述传感器壳体内置有密封件和电路板，所述电路板上设置有MCU和传感器芯片。

优选地，所述磁离合片卡设于动芯驱动盘和动芯之间。

优选地，所述凸点为上下两排，凸点相互错开。

优选地，所述导轮上均匀分布有数个柱孔，柱孔内设置有磁体。

优选地，所述动芯驱动盘与齿轮组间的驱动方式为电机驱动或线圈驱动。

本发明的有益效果：(1)微功耗设计：本发明采用了一组齿轮，通过选择合适的变比，可以将起始齿轮细微的驱动力量进行累加放大，用以推动动芯驱动盘转过相应角度。样机中，变比1:40，微型步进电机驱动动芯驱动盘转过45度角，完成一个电磁工作位的改变。本设计用较小的驱动力完成相应动作，很大程度上降低了驱动功率要求。根据电磁力特性，径向位移所需作用力远小于轴向位移所需作用力，相互作用距离越短，相差比例越大；本设计采用径向相切位移实现电磁工作位的改变，从而用较小的力完成相应动作，再次在很大程度上降低了驱动功率要求；

(2)单一控制信号：本发明采用齿轮组传动，在对应的传动比下，完成工作状态改变只需驱动相应的角度。无论采用微电机还是电磁线圈做驱动源，每次达到预定齿数就可以，可以用单一的驱动信号改变工作状态，简化了驱动要求。结合位置反馈设计，可实现精准可靠的驱动控制；

(3)无外泄漏：本发明采用电磁力驱动—非接触式的驱动原理，动芯驱动盘和动芯中都装有永磁体，在动芯驱动盘和动芯之间可以不用物理连接实现驱动，因此，在流体腔和机构腔之间采用非磁导体的动芯盖板和O型密封圈进行完全密封，杜绝了外泄漏的途径和可能性；

(4)机械式位置反馈：由于动芯最终工作状态的改变是通过动芯驱动盘的角度变化来实现的，电磁力的特性决定了其对应变化相当于机械连接，所以，在动芯驱动盘上按90度均布设计有上下两排相互错开45度的小凸点，在阀体盖板上设有定位槽，插入微型检测开关，芯驱动盘转到相应位置时开关闭合，偏离1度后开关松开，从而实现动芯位置的可靠反馈—即阀门启闭位置的反馈；

(5)可手动关闭：本发明通过动芯驱动盘与动芯上的永磁体相互作用，将动芯驱动盘的角度变化转换为动芯上在垂直方向或同轴方向上的位移，通过动芯上下两组弹簧力与不同角度下永磁力的相互作用和平衡，实现动芯处于不同位置的稳定，从而实现阀门双稳态的启/闭。本发明在动芯驱动盘与动芯之间设计有一个良磁导体部件—离合片，在工作角度上能削弱或加强两者之间电磁力的相互作用强度从而打破力平衡状态，实现阀门的手动关闭。离合片由手动机构齿条驱动，带动手动机构齿条往复运动的部件为手动推杆、手动推杆柄(手动旋钮)和相配合的复位弹簧；手动推杆上有一个斜面与手动机构齿条的顶端面配合，在复位弹簧的作用下，实现了位移换向和往复运动；

(6)多种工作模式：本发明通过更换不同驱动零部件，能分别实现以微型步进电机或电磁线圈作为驱动源进行驱动；本发明通过更换不同零部件，能分别以双稳态或比例调节模式工作，能实现双稳态启闭或不同程度的比例启闭；本发明通过可选部件流量传感器，能实现流量检测和计量功能；本发明通过可选部件压力传感器，能实现压力检测功能。

附图说明

图1为本发明一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀的关键零部件总装配示意图；

图2为本发明一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀的剖面图；

图3为本发明一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀的旋转磁力开关结构的爆炸示意图；

图4为本发明一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀的位置检测结构的结构示意图；

图5为本发明一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀的磁离合传动结构的爆炸结构示意图；

图6为本发明一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀的微量流量传感器的爆炸结构示意图；

图7为本发明一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀的压力传感器的爆炸示意图；

图8为本发明一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀的电机驱动结构示意图；

图9为本发明一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀的线圈驱动结构示意图。

图中标号说明如下：1-阀体，2-旋转磁力开关结构，3-位置检测结构，4-磁离合传动结构，5-流量传感器，6-压力传感器，7-底部进口，8-侧向出口，9-底部出口，21-动芯，22-动芯驱动盘，23-动芯盖板，24-主弹簧，25-副弹簧，26-主磁铁，27-副磁铁，28-主密封件，32-阀体上盖板，33-微型检测开关，42-磁离合片，43-手动机构齿条，44-手动推杆，45-手动推杆柄，46-机构限位条，47-复位弹簧，48-导向定位槽，51-第一传感器壳体，52-第一传感器盖体，53-导向环，54-导轮，55-磁体，56-电路板，57-封盖，61-第二传感器壳体，62-第二传感器盖体，63-密封件，64-电路板，71-微型电机，72-电机座，73-蜗杆，74-齿轮组，75-涡轮，81-线圈组件，82-线圈座，83-传动齿条，84-拟合齿轮。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1和图2分别为本发明一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀的关键零部件总装配示意图和剖面图，包括阀体1，旋转磁力开关结构2，位置检测结构3，磁离合传动结构4，流量传感器5，压力传感器6，底部进口7，侧向出口8，底部出口9，

阀体1内部由密封圈和动芯盖板23分割成两个独立密封的腔体：机构腔和整个流体腔；流体腔分别由底部进口7、动作腔、流量传感器腔、压力传感器安装口、侧向出口8和底部出口9构成，形成功能多样应用灵活的接口结构，机构腔和整个流体腔全密封无泄漏。根据不同的应用，可以在对应腔体或接口部位安装流量传感器5及压力传感器6。

图3为本发明一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀的旋转磁力开关结构的爆炸示意图，包括动芯组件、动芯内置的磁铁组件和弹簧组件。

动芯组件包括动芯21、动芯盖板23和动芯驱动盘22，弹簧组件包括设置于动芯上部的副弹簧25和下部的主弹簧24，磁铁组件包括设置于动芯21内部的主磁铁26和动芯驱动盘22内部的副磁铁27，主弹簧24底部还设置有主密封件28，动芯21均匀分布有数个主磁铁26，动芯驱动盘22均匀分布有数个副磁铁27。

图4为本发明一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀的位置检测结构的结构示意图，包括动芯驱动盘22和阀体上盖板32，动芯驱动盘22上均匀设置有凸点，阀体上盖板32上设置有定位槽，定位槽内置有微型检测开关33；凸点为上下两排，凸点相互错开45度，定位槽和微型检测开关为两个，微型检测开关与凸点相对应。

图5为本发明一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀的磁离合传动结构的爆炸结构示意图，包括阀体1、阀体1内置的磁离合片42和与磁离合片42相咬合的手动机构齿条43，手动机构齿条43上部设置有手动推杆44、手动推杆柄45和相配合的复位弹簧47，手动机构齿条43下方设置有复位弹簧47，手动推杆44卡设于导向定位槽48中；磁离合片42卡设于动芯驱动盘和动芯之间；手动推杆44一斜面与手动机构齿条43的顶端面配合。

图6为本发明一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀的微量流量传感器的爆炸结构示意图，包括第一传感器壳体51和卡扣于第一传感器壳体51表面筋条的第一传感器盖体52，第一传感器壳体51内置有导向环53，导向环53上方设置有导轮54，导轮54内置有磁体55，导轮54上均匀分布有数个柱孔，柱孔内设置有磁体55，第一传感器盖体52背部设置有电路腔，电路腔内置电路板56，第一传感器盖体52还设置有封盖57。

第一传感器壳体51内装入导向环53，导向环53上装入导轮54，导轮54四个柱孔中装入磁体55，然后将第一传感器盖52对准第一传感器壳体51上的筋条卡紧，在第一传感器盖52背部电路腔内装入电路板56，用封盖57封住。

工作原理：流体经第一传感器壳体51底部进入，经过导向环52的引导，形成旋转流束并得到加速，作用到导轮54的叶片上，推动其旋转，其上的磁体55与电路板上集成电路相互作用产生信号并进行输出。

本发明结构设计使得微小流量也能驱动叶片，能实现微流量检测；因非接触式检测的原理，在流道内不影响介质性能；因圆柱形设计，能广泛用于各种管道环境中。

图7为本发明一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀的压力传感器的爆炸示意图，包括第二传感器壳体61和第二传感器盖体62，第二传感器壳体61与第二传感器盖体62通过螺纹连接，第二传感器壳体61内置有密封件63和电路板64，电路板64上设置有MCU和传感器芯片，表面涂覆硅胶用于隔离与密封，传感器芯片为两颗，密封件3为密封圈，密封圈外径与第二传感器壳体61内径一致。

在第二传感器壳体61中先放入密封圈63，再放入电路板64，然后用传感器盖62旋入第二传感器壳体61中，压紧电路板64；电路板64上设置有MCU和两颗压力传感芯片，以作备用，能实现高可靠的检测和长使用寿命。

压力传感器芯片为MEMS元件，是利用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的压力传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高等特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械压力传感器所不能实现的功能，可在很大程度上能够提高系统测试的准确度和响应速度。本发明结构简单，成本低，智能化；能实现高精度高可靠的压力检测；可广泛应用于流体压力检测。

图8为本发明一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀的电机驱动结构示意图，包括微型电机71，电机座72，蜗杆73，齿轮组74，涡轮75，微型电机71安装于电机座72，电机71带动蜗杆73运动，蜗杆73与涡轮75相配合，从而带动齿轮组74运动，进而进一步带动动芯驱动盘22运动。

图9为本发明一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀的线圈驱动结构示意图，包括线圈组件81，线圈座82，传动齿条83，拟合齿轮84，线圈组件81安装于线圈座82，线圈组件81带动传动齿条83运动，传动齿条83与拟合齿轮84相配合，从而带动齿轮组74运动，进而进一步带动动芯驱动盘22运动。

本发明的工作原理：采取单一控制对象(微型步进电机或电磁线圈)作为驱动源驱动齿轮组，根据功耗要求选择恰当的齿轮传动比来降低驱动力并传递固定角度给动芯驱动盘，通过动芯驱动盘与动芯上的永磁体相互作用，将动芯驱动盘的角度变化转换为动芯上在垂直方向或同轴方向上的位移，通过动芯上下两组弹簧力与不同角度下永磁力的相互作用和平衡，实现动芯处于不同位置的稳定，从而实现阀门双稳态的启/闭。同时，在动芯驱动盘与动芯之间还存在一个良磁导体部件离合片，在工作角度上能削弱两者之间电磁力的相互作用强度从而打破力平衡状态，实现阀门的手动关闭。离合片由手动机构齿条驱动，带动手动机构齿条往复运动的部件为手动推杆、手动推杆柄(手动旋钮)和相配合的复位弹簧；手动推杆上有一个斜面与手动机构齿条的顶端面配合，在复位弹簧的作用下，实现了位移换向和往复运动。

在动芯驱动盘与动芯之间还存在密封圈和盖板，将流体腔与机构腔完全隔离，杜绝外泄漏。(1)双稳态模式：只需发送一组固定长度的脉冲给单一控制对象(微型步进电机或电磁线圈)，即可循环改变阀门的启闭状态；脉冲过后，阀门启闭状态自保持，不再耗电。在开启和闭合的位置上有信号反馈。(2)比例调节模式：只需发送一组固定长度的脉冲给单一控制对象即可改变相应比例的开闭度，实现流通比例的控制。脉冲过后，阀门启闭状态自保持，不再耗电。在开启和闭合的位置上有信号反馈。根据不同的应用，可以在对应腔体或接口部位安装流量传感器及压力传感器。

本发明采用了多驱动源的结构设计，以应对不同应用场景下的不用驱动要求。如果采用线圈驱动，只需将原结构中的微型电机、电机座、涡轮、蜗杆掉成线圈组件、线圈座、传动齿条和传动齿轮，其余结构都不需要变动，即可形成新的品种。本发明的驱动功耗极低，仅在改变状态时耗能。经测算，每次动作仅需0.1W，动作完成之后不再耗能，满足了微功耗的需求，可用电池供电长期工作，支持多种工作模式，同时具备压力和流量检测附件设计，其应用面将比普通电磁阀大大地延伸。

本发明可以普遍应用于需要精准控制或精准测量的流体管道系统，作为管道分支或末端的可测控部件，实现管道的控制智能化和管理联网化，在物联网发展加速和工业4.0大力推进的形势下，具有非常广泛的市场前景。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀，其特征在于，包括阀体和阀盖，所述阀体内设置有旋转磁力开关结构、位置检测结构、磁离合传动结构和传感器，所述旋转磁力开关结构，包括动芯组件、动芯内置的磁铁组件和弹簧组件，所述动芯组件包括动芯、动芯盖板和动芯驱动盘，所述弹簧组件包括设置于动芯上部的副弹簧和下部的主弹簧，所述磁铁组件包括设置于动芯内部的主磁铁和动芯驱动盘内部的副磁铁；

所述位置检测结构包括动芯驱动盘和阀体上盖板，所述动芯驱动盘上均匀设置有凸点，所述凸点为上下两排，凸点相互错开45度；所述阀体上盖板上设置有定位槽，所述定位槽内置有微型限位开关。

2.如权利要求1所述的脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀，其特征在于，所述磁离合传动结构包括阀体、阀体内置的磁离合片和与磁离合片相咬合的手动机构齿条，所述手动机构齿条上部设置有手动推杆、手动推杆柄和相配合的复位弹簧，手动机构齿条下方设置有复位弹簧，所述手动推杆卡设于导向定位槽中。

3.如权利要求1所述的脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀，其特征在于，所述传感器包括流量传感器和压力传感器。

4.如权利要求3所述的脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀，其特征在于，所述流量传感器包括传感器壳体和卡扣于传感器壳体表面筋条的传感器盖体，所述传感器壳体内置有导向环，所述导向轮上方设置有导轮，导轮内置有磁体。

5.如权利要求3所述的脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀，其特征在于，所述压力传感器包括传感器壳体与传感器盖体通过螺纹连接，所述传感器壳体内置有密封件和电路板，所述电路板上设置有MCU和传感器芯片。

6.如权利要求1或2所述的脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀，其特征在于，所述磁离合片卡设于动芯驱动盘和动芯之间。

7.如权利要求4所述的脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀，其特征在于，所述导轮上均匀分布有数个柱孔，柱孔内设置有磁体。

8.如权利要求1所述的脉冲控制式微功耗位置反馈双稳态电控阀，其特征在于，所述动芯驱动盘与齿轮组间的驱动方式为电机驱动或线圈驱动。