CN105179791A - 一种基于非耦合永磁偏置的单稳态轴流式电磁阀 - Google Patents

一种基于非耦合永磁偏置的单稳态轴流式电磁阀 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于非耦合永磁偏置的单稳态轴流式电磁阀，包括永磁体组件、阀体组件和衔铁组件、线圈、阀座、外导磁体；阀体组件包括上阀体、隔磁环和下端盖；衔铁组件包括衔铁盖、衔铁、簧片和挡板；线圈通过上阀体、衔铁的主体部、下端盖、隔磁环和外导磁体形成电磁回路；永磁体与衔铁盖通过气隙形成永磁回路；电磁回路和永磁回路分别在衔铁组件上形成开启力。永磁偏置回路与线圈电磁回路相互独立，消除了永磁体对线圈电磁回路的影响，二者线性叠加，使得该单稳态电磁阀磁路设计简单。通过永磁偏置力减低了对开启电磁力的要求。

Description

一种基于非耦合永磁偏置的单稳态轴流式电磁阀
技术领域
本发明涉及一种基于非耦合永磁偏置的单稳态轴流式电磁阀，尤其适用于卫星姿轨控火箭发动机。
背景技术
单稳态轴流式电磁阀由于其开关响应重复性高、线圈冷却效果好，被广泛地应用于卫星姿轨控发动机中，作为推进剂的控制阀门。对于单稳态电磁阀来说，其响应时间与功耗是一对此消彼长的矛盾体。然而，卫星平台对姿轨控发动机的响应时间和功耗均提出了严苛的要求，这就需要电磁阀同时具有低功耗和快响应的特点。
目前，能够实现电磁阀快响应、低功耗的措施有两种：(1)设计专用的驱动电路，实现电磁阀的高电压开启、低电压保持(参见“固体姿轨控发动机燃气电磁阀快速驱动电路研究”，固体火箭技术第28卷第3期，2005年)，这种方式增加了驱动电路的复杂性，并且没有从电磁阀本身进行改进；(2)采用永磁体提供永磁偏置力，也是提高电磁阀响应时间和降低功耗的有效途径。采用永磁偏置的电磁阀有两种：一种是双稳态螺线管电磁阀(参见“用于微小卫星的微型双稳态电磁阀”，上海航天第2期，2005年)；另一种是力矩马达电磁阀，它既有单稳态形式也有双稳态形式(参见“NewGeneration10NBipropellantMMH/NTOThrusterwithDoubleSeatValve”，35thAIAA/ASME/SAE/ASEEJointPropulsionConference&Exhibit，1999年6月)。双稳态电磁阀不适用于姿轨控发动机，而单稳态力矩马达阀虽然适用于姿轨控发动机，但是其线圈无法实现轴流式冷却。此外，这两种电磁阀的永磁回路与电磁回路均是耦合在一起的，给电磁阀的磁路设计过程带来了很大困难。
发明内容
本发明为了解决此问题，本发明提出了一种基于非耦合永磁偏置的单稳态轴流式电磁阀。该电磁阀通过巧妙地衔铁结构设计和永磁体布置，形成了一个独立的永磁偏置回路，提高了电磁阀的开启能力。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
提供一种基于非耦合永磁偏置的单稳态轴流式电磁阀，包括永磁体组件、阀体组件和衔铁组件、线圈、阀座、外导磁体；
阀体组件包括上阀体、隔磁环和下端盖，所述上阀体与下端盖通过隔磁环连接，外导磁体套设在上阀体的外部，外导磁体的下端面接触下端盖的上端面；上阀体、下端盖、隔磁环和外导磁体形成窗口，窗口内部设置线圈；
衔铁组件包括衔铁盖、衔铁、簧片和挡板，挡板、簧片和衔铁固定连接，挡板在簧片的预变形力作用下封闭阀座上的液体出口；衔铁具有上部的支撑部和下部的主体部，所述支撑部穿过上阀体的中部，所述支撑部上端与位于上阀体上部的衔铁盖连接，所述主体部位于上阀体的下部，主体部与上阀体形成气隙；线圈通过上阀体、衔铁的主体部、下端盖、隔磁环和外导磁体形成电磁回路；
永磁体组件位于电磁阀上部，包括永磁体，永磁体与衔铁盖之间形成气隙，永磁体与衔铁盖通过气隙形成永磁回路；
电磁回路和永磁回路分别在衔铁组件上形成开启力。
其中所述电磁回路与所述永磁回路没有交叉、相互独立。
其中永磁体组件还包括入口压盖和永磁体托架，永磁体托架与入口压盖封闭永磁体，永磁体托架下端连接外导磁体，入口压盖为液体入口。
其中簧片内沿通过销钉固定在挡板与衔铁主体部之间，簧片外沿固定在下端盖与阀座之间。
其中永磁体托架、隔磁环、销钉、簧片、挡板和阀座为不导磁的不锈钢材料；上阀体、下端盖、入口压盖、衔铁盖、外导磁体、衔铁为导磁的软磁合金材料。
其中，在于当给线圈通电时，衔铁组件受到向上的开启力为电磁力与永磁力之和，克服簧片向下的力，使得衔铁组件向上移动，电磁阀打开。
其中，当给线圈断电时，衔铁组件上受到向上力为永磁力，衔铁组件在簧片作用下克服永磁力，使电磁阀关闭。
其中，当阀门开启后，液体依次流经永磁体组件、衔铁组件中心通孔，经挡板的侧孔，由阀座的阀口流出。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)通过巧妙地衔铁结构设计和永磁体布置，形成了一个与电磁回路不相耦合的永磁偏置回路；该电磁阀衔铁上具有两个工作气隙(永磁气隙和电磁气隙)；非耦合永磁偏置回路通过永磁气隙产生一个永磁偏置力，线圈产生的电磁回路通过电磁气隙产生一个电磁力，永磁偏置力和电磁力共同组成了衔铁的开启力。通过永磁偏置力减低了对开启电磁力的要求。
(2)由于永磁偏置力的存在，可以采用刚度较大的簧片，断电时，提供更大的恢复力，提高了关闭速度。
(3)永磁偏置回路与线圈电磁回路相互独立，消除了永磁体对线圈电磁回路的影响，二者线性叠加，使得该单稳态电磁阀磁路设计简单。
(4)提供了永磁偏置力，线圈需要的电流更小，使得该单稳态电磁阀功耗降低。
附图说明
图1为本发明关闭状态下电磁阀结构示意图；
图2为本发明开启状态下电磁阀结构示意图；
图3为本发明电磁阀的磁路仿真示图。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于非耦合永磁偏置的单稳态轴流式电磁阀，包括永磁体1、永磁体托架2、上阀体3、隔磁环4、下端盖6、销钉7、簧片8、入口压盖9、衔铁盖11、线圈12、外导磁体13、衔铁14、挡板15和阀座16。
永磁体1为环形磁体(充磁方向如图1)，装入永磁体托架2中，永磁体托架2与入口压盖9通过电子束焊接在一起，组成永磁体组件；上阀体3、隔磁环4和下端盖6通过电子束焊接在一起，组成阀体骨架；线圈12绕在阀体骨架的窗口内，组成阀体-线圈组件；阀体-线圈组件插入到外导磁体13中，组成了阀体组件；衔铁14与挡板15将簧片8压在中间，通过销钉7铆接在一起，形成衔铁组件；衔铁组件装入阀体组件后，衔铁14与衔铁盖11通过电子束焊接连接在一起；永磁体组件通过永磁体托架2与外导磁体13电子束焊接在一起；阀座16装入下端盖6中，跟下端盖6电子束焊接在一起。整个电磁阀装配完成。
永磁体托架2、隔磁环4、销钉7、簧片8、挡板15和阀座16为不导磁的不锈钢材料，上阀体3、下端盖6、入口压盖9、衔铁盖11、外导磁体13、衔铁14为软磁合金材料；永磁体1、永磁体托架2、衔铁盖11和气隙10之间形成了一个永磁回路A-B，永磁回路A-B通过气隙10在衔铁组件上产生一个向上的永磁偏置力F1；线圈12通过上阀体3、衔铁14、气隙5下端盖6和外导磁体13形成一个电磁回路C-D，电磁回路C-D通过气隙5在衔铁14上产生一个向上的电磁力F2。如图1所示，电磁回路与永磁回路没有交叉、相互独立。
当给线圈12通电时，衔铁组件受到向上的开启力为电磁力F2与永磁偏置力F1之和，克服簧片8作用在衔铁组件向下的力，使得电磁阀打开，永磁偏置力增大了电磁阀的开启能力，是实现其快响应、低功耗的主要原因；当给线圈12断电时，衔铁组件上受到向上力只剩下永磁偏置力F1，衔铁组件在簧片8作用下克服永磁偏置力F1，使电磁阀关闭。电磁阀通电开启，断电关闭，实现了单稳态电磁阀的功能。
图3为通过有限元电磁仿真获得的电磁阀的磁路仿真结果，由该图可以看出，永磁偏置回路与线圈电磁回路相互独立，二者没有相互影响，线性叠加，降低了计算和设计难度。
基于非耦合永磁偏置的单稳态轴流式电磁阀特别适用于快响应、低功耗的卫星姿轨控推力器。本发明电磁阀，例如永磁偏置回路气隙10为1.35mm，电磁回路气隙为1.15mm，开启时间和关闭时间相比于常规电磁阀(无永磁偏置回路且电磁回路气隙为1.15mm)，分别由19ms和20ms缩短到了12ms和18ms，功耗从28.8W降低到了13.4W，降低了54％。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于非耦合永磁偏置的单稳态轴流式电磁阀，其特征在于：包括阀体组件、衔铁组件、永磁体组件、线圈(12)、阀座(16)和外导磁体(13)；
阀体组件包括上阀体(3)、隔磁环(4)和下端盖(6)，所述上阀体(3)与下端盖(6)通过隔磁环(4)连接，外导磁体(13)套设在上阀体(3)的外部，外导磁体(13)的下端面接触下端盖(6)的上端面；上阀体(3)、下端盖(6)、隔磁环(4)和外导磁体(13)形成窗口，窗口内部设置线圈(12)；
衔铁组件包括衔铁盖(11)、衔铁(14)、簧片(8)和挡板(15)，挡板(15)、簧片(8)和衔铁(14)固定连接，挡板(15)在簧片(8)的预变形力作用下封闭阀座(16)上的液体出口；衔铁(14)具有上部的支撑部和下部的主体部，所述支撑部穿过所述上阀体(3)的中部通孔，所述支撑部上端与位于上阀体(3)上部的衔铁盖(11)连接，所述主体部位于上阀体(3)的下部，主体部与上阀体(3)形成气隙(5)；线圈(12)通过上阀体(3)、衔铁(14)的主体部、下端盖(6)、隔磁环(4)和外导磁体(13)形成电磁回路；
永磁体组件位于电磁阀上部，包括永磁体(1)，永磁体(1)与衔铁盖(11)之间形成气隙(10)，永磁体(1)与衔铁盖(11)通过气隙(10)形成永磁回路；
电磁回路和永磁回路分别在衔铁组件上形成开启力。
2.根据权利要求1所述电磁阀，其特征在于所述电磁回路与所述永磁回路没有交叉、相互独立。
3.根据权利要求1所述电磁阀，其特征在于永磁体组件还包括入口压盖(9)和永磁体托架(2)，永磁体托架(2)与入口压盖(9)封闭永磁体(1)，永磁体托架(2)下端连接外导磁体(13)，入口压盖(9)为液体入口。
4.根据权利要求1所述电磁阀，其特征在于簧片(8)内沿通过销钉(7)固定在挡板(15)与衔铁(14)主体部之间，簧片(8)外沿固定在下端盖(6)与阀座(16)之间。
5.根据权利要求3所述电磁阀，其特征在于永磁体托架(2)、隔磁环(4)、销钉(7)、簧片(8)、挡板(15)和阀座(16)为不导磁的不锈钢材料；上阀体(3)、下端盖(6)、入口压盖(9)、衔铁盖(11)、外导磁体(13)、衔铁(14)为导磁的软磁合金材料。
6.根据权利要求1所述电磁阀，其特征在于当给线圈(12)通电时，衔铁组件受到向上的开启力为电磁力与永磁力之和，克服簧片(8)向下的力，使得衔铁组件向上移动，电磁阀打开。
7.根据权利要求1所述电磁阀，其特征在于当给线圈(12)断电时，衔铁组件上受到向上力为永磁力，衔铁组件在簧片(8)作用下克服永磁力，使电磁阀关闭。
8.根据权利要求1所述电磁阀，其特征在于当阀门开启后，液体依次流经永磁体组件、衔铁组件中心通孔，经挡板(15)的侧孔，由阀座(16)的阀口流出。
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