CN105736800A - 一种微小型单线圈驱动自锁阀 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微小型单线圈驱动自锁阀，包括衔铁组件、阀体、磁钢和线圈，衔铁组件设置于阀体的内腔中，衔铁组件包括衔铁和滚珠，其中衔铁和阀体均为回转体结构，在衔铁靠近两端端面的圆周方向上各设置有N个沿圆周均布的凹槽，每个凹槽内设置一个滚珠，凹槽形状为中空结构的球缺与圆柱体的组合形状，球缺与圆柱体的直径相同，且滚珠的直径小于凹槽中球缺或圆柱体的直径，大于凹槽的深度，所述磁钢套装在阀体圆周表面，将阀体圆周表面分为两个区域，两个线圈分别缠绕在所述两个区域内，并串联成一个线圈，该自锁阀结构设计大幅减小了产品的重量和体积，缩减了零件数量，在实现产品小型化设计的同时，又保证了产品高可靠性及快速响应特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种微小型单线圈驱动自锁阀，属于航天器空间流体管理技术领域。
背景技术
微纳卫星由于自身体积重量小等特点，自锁阀作为推进系统的管理阀门，在系统中主要实现推进剂的通断控制，是系统的重要部件之一，目前微纳卫星对自锁阀产品提出重量要求一般为50g甚至30g以下。
传统的自锁阀一般采用两个线圈分别实现阀门开、关两个状态的驱动控制，同时为保证产品的可靠性，一般采用柔性支撑元件在衔铁两端进行悬浮支撑，这种结构零件数量较多，结构较复杂，无法在微小型自锁阀中得以实现。为解决自锁阀小型化设计与产品可靠性之间的矛盾，必须开展微小型化设计和结构改进，以满足系统的高度集成及体积小、重量轻、可靠性高等要求。
此外当前的高性能电动阀门中通常采用衔铁柔性悬浮设计方案，其核心部件为片状膜簧，该结构一般零件数量较多，在5个以上，连接复杂，通常需采用电子束焊接或激光焊接等工艺，生产流程复杂。更重要的是片状膜簧受到加工因素的限制，在径向尺寸较小，例如径向尺寸＜10mm的阀门中应用比较困难甚至无法实施。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种微小型单线圈驱动自锁阀，该自锁阀结构设计大幅减小了产品的重量和体积，缩减了零件数量，使得自锁阀整体结构更加紧凑，重量更轻，最终在实现产品小型化设计的同时，又保证了产品高可靠性及快速响应特性。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种微小型单线圈驱动自锁阀，包括衔铁组件、阀体、磁钢和线圈，衔铁组件设置于阀体的内腔中，衔铁组件包括衔铁和滚珠，其中衔铁和阀体均为回转体结构，滚珠为球形滚珠，在衔铁靠近两端端面的圆周方向上各设置有N个沿圆周均布的凹槽，每个凹槽内设置一个滚珠，所述凹槽形状为中空结构的球缺与圆柱体的组合形状，所述球缺与圆柱体的直径相同，且滚珠的直径小于凹槽中球缺或圆柱体的直径，大于凹槽的深度；所述滚珠为硬度HRC>58的无磁性材料，其中N为正整数，且N≥3；
所述磁钢套装在阀体圆周表面，将阀体圆周表面分为两个区域，两个线圈分别缠绕在所述两个区域内，并串联成一个线圈。
在上述微小型单线圈驱动自锁阀中，所述滚珠的直径与凹槽的深度满足如下关系式：
在上述微小型单线圈驱动自锁阀中，所述滚珠的直径与凹槽的深度满足如下关系式：
在上述微小型单线圈驱动自锁阀中，所述中空结构的球缺的高度为滚珠直径的2/5～3/5。
在上述微小型单线圈驱动自锁阀中，所述滚珠为氮化硅陶瓷滚珠。
在上述微小型单线圈驱动自锁阀中，所述磁钢环绕阀体表面分为弧度大小相等的M段磁钢，且M段磁钢环绕阀体表面均匀分布，磁钢两侧的两个线圈在相邻两段磁钢的空隙处串联成一个线圈，其中M为正整数，且M≥3。
在上述微小型单线圈驱动自锁阀中，所述M段磁钢中每段磁钢的弧度为55°～65°，共3～5段磁钢。
在上述微小型单线圈驱动自锁阀中，所述磁钢设置在沿阀体轴向的阀体中间位置，且磁钢沿阀体轴向的宽度为1～3mm。
在上述微小型单线圈驱动自锁阀中，所述滚珠的直径与凹槽中球缺的直径满足如下关系式：
在上述微小型单线圈驱动自锁阀中，所述N个凹槽的底部中心点在同一平面内，所述平面垂直于衔铁的轴线，且所述凹槽的底部中心点距离靠近的衔铁端面的距离为衔铁轴向长度的5％～25％。
在上述微小型单线圈驱动自锁阀中，在衔铁靠近两端端面的圆周方向上各设置有3个沿圆周均布的凹槽。
在上述微小型单线圈驱动自锁阀中，所述衔铁组件设置于阀体的内腔中，滚珠与阀体腔体内壁之间形成0.03～0.08mm的滑动配合间隙。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明自锁阀采用磁钢(即永磁体)实现阀门的最终指令状态保持功能，同时使磁路偏置，具备极性，然后采用一个励磁线圈通过一定脉宽，不同极性的驱动信号，实现阀门的开关指令状态切换，在该结构设计中，通过将磁钢两侧的线圈串联起来，形成一个单线圈，实现控制阀门开关切换，相比较传统的双线圈自锁阀，相同安匝数条件下，所需要的线圈窗口尺寸减小1/2，这样在结构上就大幅减小了产品的重量和体积；
(2)、本发明自锁阀采用的滚珠支撑型电动阀门衔铁悬浮结构，在衔铁两端的圆周方向上各均等布置N个特殊形状的凹槽，每个凹槽内放置一个氮化硅陶瓷滚珠，形成衔铁组件，其中凹槽深度小于所使用的滚珠直径，以保证滚珠所形成的圆周直径大于衔铁的圆周直径，最后由滚珠所决定圆周直径与阀门的内腔采用滑动配合，确保衔铁在运动过程中不与阀体之间发生滑动摩擦，使滚珠处于滚动状态而非相对静止状态，同时在衔铁运动过程中，由于滚珠材料的无磁性，滚珠与阀体及衔铁之间的摩擦力均为滚动摩擦，该摩擦力量值微乎其微，一般可忽略不计，阀门不会产生因滑动摩擦而带来的“自污染”现象；
(3)、本发明滚珠支撑型电动阀门衔铁悬浮结构取消了传统的衔铁悬浮结构设计中所采用柔性支撑元件，简化了衔铁结构，缩减了零件数量，使得衔铁结构更加紧凑，重量更轻，最终在实现产品小型化设计的同时，又保证了产品高可靠性及快速响应特性。
(4)、本发明通过对衔铁组件中凹槽的位置、形状、与滚珠的比例关系等的优化设计，使得衔铁悬浮结构性能更加优异，结构更加合理紧凑，进一步保证了衔铁悬浮结构的高可靠性及快速响应特性；采用本发明滚珠支撑悬浮结构，可使阀门响应时间提升15～30％，并将阀门响应时间的散度控制在±0.1ms以内；
(5)、本发明自锁阀中通过对磁钢结构的巧妙设计及形状尺寸优化，将磁钢两侧的线圈巧妙串联起来形成一个单线圈，在大幅度减小自锁阀体积重量的同时，又保证了产品的高可靠性。
附图说明
图1为本发明单线圈驱动自锁阀三维结构剖面图；
图2为本发明单线圈驱动自锁阀结构剖面图；
图3为本发明磁钢分段结构示意图；
图4a为本发明衔铁组件纵向结构剖面图；
图4b为本发明衔铁组件中衔铁横向结构剖面图(图4a中沿剖切线的剖面图)；
图5为本发明衔铁悬浮结构示意图。
图6a为本发明单线圈驱动自锁阀驱动信号图；
图6b为本发明单线圈驱动自锁阀开关过程电流特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为本发明单线圈驱动自锁阀三维结构剖面图，图2所示为本发明单线圈驱动自锁阀结构剖面图，本发明微小型单线圈驱动自锁阀包括衔铁组件、阀体3、磁钢5和线圈6，其中衔铁组件与阀体3构成衔铁悬浮结构。磁钢5套装在阀体3圆周表面，将阀体3圆周表面分为两个区域，两个线圈6分别缠绕在该两个区域内，并串联成一个线圈。磁钢5环绕阀体3表面分为弧度大小相等的M段磁钢，且M段磁钢环绕阀体3表面均匀分布，该M段磁钢在同一平面内，且该平面垂直于阀体3轴线，如图3所示为本发明磁钢分段结构示意图(图3中磁钢为3段)。磁钢5设置在沿阀体3轴向的阀体中间位置，且磁钢5沿阀体3轴向的宽度为1～3mm。磁钢5两侧的两个线圈6在相邻两段磁钢5的空隙处串联成一个线圈，其中M为正整数，且M≥3。
M段磁钢5中每段磁钢的弧度为55°～65°，共3～5段。
本发明所提出的一种微小型单线圈驱动自锁阀结构设计，如图2所示，采用磁钢(即永磁体)实现阀门的最终指令状态保持功能，同时使磁路偏置，具备极性，然后采用一个励磁线圈通过一定脉宽，不同极性的驱动信号，实现阀门的开关指令状态切换。具体如下：自锁阀线圈引出线共2根，标记为A与B，其中B端始终接地，当给线圈通一定幅值和脉宽的正向脉冲后，阀门打开，并在断电后由磁钢提供的磁势实现阀门开状态的位置保持；当阀门需要关闭时，则需给线圈通一定幅值和脉宽的负向脉冲实现阀门关闭，同样在断电后由磁钢提供的磁势实现阀门关状态的位置保持。在该结构设计中，通过将磁钢两侧的线圈串联起来，形成一个单线圈，相比较传统的双线圈自锁阀，相同安匝数条件下，所需要的线圈窗口尺寸减小1/2，即两侧线圈窗口尺寸在设计上等于常规自锁阀的一个线圈尺寸。这样在结构上就大幅减小了产品的重量和体积。
如图5所示为本发明衔铁悬浮结构示意图，衔铁组件设置于阀体3的内腔中，衔铁组件包括衔铁1和滚珠2，其中衔铁1和阀体3均为回转体结构，采用常规的车削加工方法，滚珠2为球形滚珠，在衔铁1靠近两端端面的圆周方向上各设置有N个沿圆周均布的凹槽4，每个凹槽4内设置一个滚珠2，凹槽4可以采用激光雕刻的方法得到。
如图4所示，图4a为本发明衔铁组件纵向结构剖面图，图4b为本发明衔铁组件中衔铁横向结构剖面图(图4a中沿剖切线的剖面图)，其中凹槽4形状为中空结构的球缺与中空结构的圆柱体的组合形状，球缺与圆柱体的直径相同，且滚珠2的直径小于凹槽4中球缺或圆柱体的直径，大于凹槽4的深度，且满足：
优选：中空结构的球缺的高度为滚珠2直径的2/5～3/5。滚珠2的直径与凹槽4中球缺(圆柱体)的直径满足如下关系式：
优选：N个凹槽4的底部中心点在同一平面内，该平面垂直于衔铁1的轴线，且凹槽4底部中心距离靠近的衔铁1端面的距离为衔铁轴向长度的5％～25％；衔铁组件设置于阀体3的内腔中，滚珠2与阀体3腔体内壁之间形成0.03～0.08mm的滑动配合间隙。
滚珠2为硬度HRC>58的无磁性材料，例如为氮化硅陶瓷滚珠。衔铁与阀体的材料均为软磁合金，磁钢材质为钕铁硼或者钐钴合金。
实施例1
磁钢5套装在阀体3圆周表面，将阀体3圆周表面分为两个区域，两个线圈6分别缠绕在该两个区域内，并串联成一个线圈，线圈匝数为800匝。磁钢5环绕阀体3表面分为弧度大小相等的3段磁钢，且3段磁钢环绕阀体3表面均匀分布，每段磁钢的弧度为60°，如图3所示。磁钢5设置在沿阀体3轴向的阀体中间位置，且磁钢5沿阀体3轴向的宽度为2mm。磁钢5两侧的两个线圈6在相邻两段磁钢的空隙处串联成一个线圈。
如图4a、图4b所示，衔铁1和阀体3均为回转体结构，采用常规的车削加工方法，而在衔铁1两端的圆周方向上采用激光雕刻的方法，各加工3个均布凹槽4，凹槽4为中空半球体+圆柱的形状，中空半球体或圆柱的直径d为1.2mm，圆柱的高度h为0.3mm，凹槽4的深度为d/2+h＝0.9mm，每个凹槽4内放置一枚氮化硅陶瓷滚珠2，滚珠2直径D为1mm，D小于d，大于h，滚珠2设置在凹槽4中，高出凹槽4的部分高度为D-h＝0.1mm，滚珠2与衔铁1形成衔铁组件，衔铁组件放入阀体3内腔后，滚珠2与阀体3腔体内壁之间形成0.06mm的滑动配合间隙。衔铁1两端中靠近每端的3个凹槽4的底面中心在同一平面内，该平面垂直于衔铁1的轴线，凹槽4底部中心距离靠近的衔铁1端面的距离为2mm，为衔铁2轴向长度的7％。
本实施例中阀门不会产生因滑动摩擦而带来的“自污染”现象，取消了传统的衔铁悬浮结构设计中所采用柔性支撑元件，简化了衔铁结构，缩减了零件数量，所需要的线圈窗口尺寸减小1/2，使得自锁阀结构更加紧凑，体积更小，重量更轻，最终在实现产品小型化设计的同时，又保证了产品高可靠性及快速响应特性。
如图6a所示为本发明单线圈驱动自锁阀驱动信号图；图6b为本发明单线圈驱动自锁阀开关过程电流特性曲线，其中图6a中E表示“开驱动信号”，F表示“关驱动信号”，图6b中G表示“自锁阀开过程电流特性曲线”，H表示“自锁阀关过程电流特性曲线”。首先由图6a及图6b可知单线圈自锁阀设计具备可行性，其次由图1可知由于采取了单线圈设计，阀门绕线窗口减少了一半，对应的体积与重量缩小了一半，再者，图4及图5可知采取滚珠支撑结构，不受衔铁体积尺寸的约束，有利于产品的小型化设计，另外由于滚珠支撑的应用，将原本两个零件之间接触面积较大的，摩擦力数值较大的滑动摩擦转化为摩擦力可以忽略不计的线滚动摩擦，这样就有效消除了阀门开关过程中需要克服的具有时变性以及非线性的摩擦力，有利于加快阀门响应时间以及提高阀门响应时间的一致性，采用此滚珠支撑悬浮结构，可使阀门响应时间提升15～30％，并将阀门响应时间的散度控制在±0.1ms以内。最后，由于消除了滑动摩擦，杜绝了活动部件运动过程中因滑动摩擦产生多余物而带来的阀门“自污染”现象，最终提升了自锁阀产品的可靠性。
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 (12)
1.一种微小型单线圈驱动自锁阀，其特征在于：包括衔铁组件、阀体(3)、磁钢(5)和线圈(6)，衔铁组件设置于阀体(3)的内腔中，衔铁组件包括衔铁(1)和滚珠(2)，其中衔铁(1)和阀体(3)均为回转体结构，滚珠(2)为球形滚珠，在衔铁(1)靠近两端端面的圆周方向上各设置有N个沿圆周均布的凹槽(4)，每个凹槽(4)内设置一个滚珠(2)，所述凹槽(4)形状为中空结构的球缺与圆柱体的组合形状，所述球缺与圆柱体的直径相同，且滚珠(2)的直径小于凹槽(4)中球缺或圆柱体的直径，大于凹槽(4)的深度；所述滚珠(2)为硬度HRC>58的无磁性材料，其中N为正整数，且N≥3；
所述磁钢(5)套装在阀体(3)圆周表面，将阀体(3)圆周表面分为两个区域，两个线圈(6)分别缠绕在所述两个区域内，并串联成一个线圈。
2.根据权利要求1所述的一种微小型单线圈驱动自锁阀，其特征在于：所述滚珠(2)的直径与凹槽(4)的深度满足如下关系式：
3.根据权利要求2所述的一种微小型单线圈驱动自锁阀，其特征在于：所述滚珠(2)的直径与凹槽(4)的深度满足如下关系式：
4.根据权利要求1所述的一种微小型单线圈驱动自锁阀，其特征在于：所述中空结构的球缺的高度为滚珠直径的2/5～3/5。
5.根据权利要求1所述的一种微小型单线圈驱动自锁阀，其特征在于：所述滚珠(2)为氮化硅陶瓷滚珠。
6.根据权利要求1所述的滚珠支撑型电动阀门衔铁悬浮结构，其特征在于：所述磁钢(5)环绕阀体(3)表面分为弧度大小相等的M段磁钢，且M段磁钢环绕阀体(3)表面均匀分布，磁钢(5)两侧的两个线圈(6)在相邻两段磁钢的空隙处串联成一个线圈，其中M为正整数，且M≥3。
7.根据权利要求6所述的一种微小型单线圈驱动自锁阀，其特征在于：所述M段磁钢中每段磁钢的弧度为55°～65°，共3～5段磁钢。
8.根据权利要求1～7之一所述的一种微小型单线圈驱动自锁阀，其特征在于：所述磁钢(5)设置在沿阀体(3)轴向的阀体中间位置，且磁钢(5)沿阀体(3)轴向的宽度为1～3mm。
9.根据权利要求1所述的一种微小型单线圈驱动自锁阀，其特征在于：所述滚珠(2)的直径与凹槽(4)中球缺的直径满足如下关系式：
10.根据权利要求1所述的一种微小型单线圈驱动自锁阀，其特征在于：所述N个凹槽(4)的底部中心点在同一平面内，所述平面垂直于衔铁(1)的轴线，且所述凹槽(4)的底部中心点距离靠近的衔铁(1)端面的距离为衔铁(1)轴向长度的5％～25％。
11.根据权利要求1～7、9、10之一所述的一种微小型单线圈驱动自锁阀，其特征在于：在衔铁(1)靠近两端端面的圆周方向上各设置有3个沿圆周均布的凹槽(4)。
12.根据权利要求1～7、9、10之一所述的一种微小型单线圈驱动自锁阀，其特征在于：所述衔铁组件设置于阀体(3)的内腔中，滚珠(2)与阀体(3)腔体内壁之间形成0.03～0.08mm的滑动配合间隙。
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