CN106641391B - 一种快速响应螺线管电磁阀 - Google Patents

Abstract

一种快速响应螺线管电磁阀，主要由入口接头(1)、外导磁体(2)、回复弹簧(3)、回复弹簧垫圈(4)、阀体(5)、线圈(6)、衔铁组件(7)、密封弹簧垫圈(8)、阀座(9)构成。本发明通过增加一个回复弹簧(3)，并与衔铁组件(7)之间设置一个空程，可以使得回复弹簧(3)在不影响电磁阀开启的情况下，吸收衔铁开启运动过程中的动能，转化为加速电磁阀关闭的弹性势能，从而实现电磁阀开启响应时间和关闭响应时间的同时提高。此外，衔铁组件(7)采用两端悬浮式无摩擦结构，在进一步提高响应时间的同时，使电磁阀具有长寿命的优点。

Description

一种快速响应螺线管电磁阀

技术领域

本发明属于机械领域，涉及一种适用于卫星姿控发动机的电磁阀结构。

背景技术

螺线管电磁阀由于其结构简单、功能可靠及性能稳定等优点，已经广泛应用于航空航天、汽车及石化领域。螺线管电磁阀的响应速度是其关键技术指标，例如用于卫星姿控推力器的螺线管电磁阀，其响应速度直接决定了姿态调整的机动性和灵活性，关系到卫星能否快速、精确入轨。因此，电磁阀的响应特性已经成为航天电磁阀设计中追求的关键性能，也是高性能电磁阀发展的主要方向。

对于螺线管电磁阀来说，提高电磁阀的开启响应，需要增大线圈安匝数，而增大安匝数又会使线圈断电瞬间衔铁上剩磁吸力过大，关闭时间延长。因此，开启时间与关闭时间是此消彼长的关系。

目前，提高电磁阀响应速度的方法主要有两种：一种是采用独特的驱动线路，实现高电压启动、低电压维持，提高电磁阀的响应速度。例如2015年4月，常远等在《内燃机工程》第36卷第2期上发表的《高压共轨喷油器电磁阀新型驱动控制技术研究》中给出了一种基于电流反馈控制的高低压分时驱动电路，采用高驱动电压和低电感线圈提升电磁阀的开启速度，采用低维持电流和大泄流电阻缩短电磁阀的关闭时间。再例如2012年12月，宋会玲等在《火箭推进》第38卷第6期上发表的《集成控制双绕组高速电磁阀的设计与仿真分析》中介绍了一种集成控制双绕组电磁阀，通过增加一个加速启动线圈，辅以内置芯片式集成控制电路，通过对两个线圈工作时序的控制，实现高电流启动、低电流维持的工作模式。另一种方法是通过增加永磁偏置力的办法，提高电磁阀的响应时间。例如中国发明专利《一种基于非耦合永磁偏置的单稳态轴流式电磁阀》(专利号：ZL201510527807.5)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，降低了电磁阀的功耗。

以上两种提高电磁阀响应速度的方法均具有明显的不足之处。对于上述第一种方法而言，会使得系统复杂、成本增加；对于上述第二种方法，将会使得电磁阀的可装配性及可调试性变差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种结构简单、可装配性好的快速响应螺线管电磁阀结构。

本发明的技术解决方案是：一种快速响应螺线管电磁阀，包括入口接头、外导磁体、回复弹簧、阀体、线圈、衔铁组件、阀座，其中入口接头上设有介质入口，阀座上设有介质出口；线圈缠绕在阀体外侧，阀体的一侧装配入口接头，阀体和入口接头之间设置有回复弹簧，阀体的另一侧装配阀座，衔铁组件从阀体内部穿过，衔铁组件的一端与所述回复弹簧配合，衔铁组件的另一端与所述介质出口构成密封副；外导磁体套接在阀体和线圈的外侧。

所述的衔铁组件包括顶杆、衔铁、密封弹簧和密封垫；顶杆为圆柱形长杆，衔铁为中心开有通孔的圆柱体，在衔铁圆柱体外表面开有对称的沟槽，衔铁的一个端面上开有十字槽，十字槽与所述沟槽相互连通；密封弹簧为圆形三臂式片弹簧，中心开有圆孔；顶杆穿过密封弹簧的中心孔，并从衔铁未开十字槽的一端插入，将密封弹簧压紧在顶杆与衔铁之间，并通过销钉固定。

所述的衔铁外圆与阀体内孔之间存在间隙。

所述的衔铁组件与回复弹簧之间设置有空程。

所述的回复弹簧为圆形三臂片弹簧，中心开有圆孔，圆面上对称开有三条长缝。

所述的电磁阀还包括密封弹簧垫圈，密封弹簧垫圈为环形薄片，安装于衔铁组件与阀体、阀座的配合面上。

所述的电磁阀还包括回复弹簧垫圈，回复弹簧垫圈为环形薄片，安装于阀体与回复弹簧之间。

所述的阀体包括左阀体、隔磁环和右阀体，左阀体和右阀体均为两种不同直径的圆柱体，两端面均开有不同直径的中心通孔；隔磁环为一个空心圆环，左阀体小直径端面与隔磁环一端面固定连接，隔磁环另一端面与右阀体小直径端面固定连接。

左阀体和右阀体为软磁合金材料，隔磁环为不锈钢材料。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的快速响应螺线管电磁阀设置了一个高刚度回复弹簧，并使其与顶杆之间存在一定间隙，这样高刚度回复弹簧可以吸收衔铁组件开启过程中的能量，而不对开启时间产生负面影响；当电磁阀断电后，高刚度回复弹簧积蓄的能量可以为衔铁组件的关闭提供一个附加的回复力，来缩短关闭时间，最终实现开关响应时间的同步提高；

(2)本发明的快速响应螺线管电磁阀的衔铁与阀体之间存在间隙，实现了衔铁组件的无摩擦，不但进一步提高了响应速度，而且解决了因衔铁摩擦产生的多余物问题及卡死问题；

(3)本发明的快速响应螺线管电磁阀的衔铁组件采用三臂式片弹簧实现了衔铁组件的两端悬浮，其径向定位性及稳定性好，更好地保证了衔铁组件运动过程中的无摩擦；

(4)本发明提供的快速响应螺线管电磁阀采用密封弹簧垫圈和回复弹簧垫圈来调节衔铁组件的行程及空程、密封弹簧变形量，使得电磁阀可装配性、可调试性好且结构简单；

(5)本发明提供的快速响应螺线管电磁阀的密封弹簧与回复弹簧均为圆形三臂片弹簧，其径向定位性好、应力集中小，保证了衔铁组件无摩擦并提高了电磁阀寿命。

附图说明

图1为本发明电磁阀结构示意图；

图2为本发明电磁阀阀体结构示意图；

图3为本发明电磁阀衔铁组件结构示意图；

图4为本发明电磁阀密封弹簧结构示意图；

图5为本发明电磁阀回复弹簧结构示意图；

图6为本发明电磁阀工作过程示意图；

图7为本发明电磁阀电流曲线示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明快速响应螺线管阀的结构示意图，主要包括入口接头1、外导磁体2、回复弹簧3、回复弹簧垫圈4、阀体5、线圈6、衔铁组件7、密封弹簧垫圈8、阀座9。其中，入口接头1上设有介质入口，阀座9上设有介质出口。

如图2所示，阀体5由左阀体51、隔磁环52和右阀体53组成，其中左阀体51和右阀体53为软磁合金材料，隔磁环52为不锈钢材料。左阀体51和右阀体53均为两种不同直径的圆柱体组成，其两端面均开有不同直径的中心通孔。隔磁环52为一个空心圆环，其内孔尺寸与右阀体53较细端中心通孔相同。左阀体51小直径端面与隔磁环52一端面接触，通过电子束焊方式连接；隔磁环52另一端面与右阀体53小直径端面接触，也通过电子束焊方式连接。这样就在左阀体51和右阀体53之间形成了一个矩形截面积的绕线窗口，线圈6就缠绕在这个绕线窗口中。

如图3所示，衔铁组件7包括顶杆71、销钉72、衔铁73、密封弹簧74、和密封垫75。顶杆71为包含三种直径的圆柱型长杆，其大圆柱端面开有圆柱盲孔，盲孔通过硫化或热压方式将密封垫75与顶杆71固定连接起来。衔铁73为中心开有通孔的圆柱体，在其圆柱体外表面开有四个对称的沟槽，在其一端面上开有十字槽，十字槽与沟槽相互连通，作为介质流通的通道。密封弹簧74为圆形三臂片弹簧(如图4所示)，中心开有圆孔，圆面上对称开有三条长缝。顶杆71的小圆柱端穿过密封弹簧74的中心孔，并从衔铁73未开十字槽的一端插入，将密封弹簧74压在顶杆71和衔铁73之间，并通过销钉72固连在一起，组成一个整体---衔铁组件7。

在电磁阀装配过程中，首先将密封弹簧垫圈8装入到右阀体53内孔底面台阶，然后将衔铁组件7从右阀体53的内孔一侧装入到阀体5中，使得密封弹簧74压紧密封弹簧垫圈8；然后，再将另外的密封弹簧垫圈8从右阀体53的内孔一侧装入到阀体5中，使其与密封弹簧74接触；最后，将阀座9也从右阀体53的内孔一侧装入到阀体5内，使阀座9左侧端面压紧后装入的密封弹簧垫圈8。阀座9中心的火山状阀口压在密封垫75上形成了电磁阀的密封副。密封弹簧垫圈8一方面可以调节密封弹簧74的变形量S，以调节密封副的密封应力，实现电磁阀可靠密封，另一方面可以调节衔铁组件7的行程L，以使电磁阀获得足够的流量要求。通过电子束焊接方式将阀座9和阀体5焊接在一起。将回复弹簧垫圈4装入左阀体51的内孔底面台阶，然后将回复弹簧3从左阀体51的内孔一侧装入阀体5内并与回复弹簧垫圈4接触，其中回复弹簧为圆形三臂片弹簧，中心开有圆孔，圆面上对称开有三条长缝(如图5所示)；顶杆71的最细圆柱段穿过回复弹簧3的中心孔。回复弹簧垫圈4可以调节顶杆71最细圆柱段底部台阶面与回复弹簧3之间的空程δ。将入口接头1从左阀体51的内孔一侧装入到阀体5内，压紧回复弹簧3，然后通过电子束焊接方式将入口接头1与阀体5焊接在一起。最后，将外导磁体2从入口接头1一端套在阀体5外侧，组成了如图1所示的电磁阀整机。

本发明所提供的电磁阀为一种单稳态电磁阀，即通电后在电磁力作用下从关闭位置运动到开启位置，断电后在弹簧力作用下从开启位置回到关闭位置。本发明的工作过程如下：

关闭位置如图6(a)所示：在非工作状态下，线圈6内没有电流，电磁阀处于关闭状态，衔铁组件7位于如图6(a)所示的位置A。此时，在密封弹簧74的变形力作用下，密封垫75压在了阀座9的火山状阀口上，保证电磁阀关闭状态下的阀口密封，切断介质流通。

开启过程如图6(a)至(b)至(c)所示：当给线圈6加电后，衔铁组件7上所受的电磁力超过密封弹簧74的变形力时，衔铁组件7从图6(a)位置开始运动，运动了δ后到达图6(b)位置，此时顶杆71最细圆柱段底部台阶面与回复弹簧3刚好接触；然后，衔铁组件7继续运动，使回复弹簧3产生变形，直到走完全部行程L运动至开启位置，即图6(c)位置。

关闭过程如图6(c)至(b)至(a)所示：当线圈6断电后，衔铁组件7在回复弹簧3和密封弹簧74的共同作用下，从图6(c)位置运动δ后到达图6(b)位置，此时顶杆71最细圆柱段底部台阶面与回复弹簧3开始脱离；然后，衔铁组件7继续运动，在密封弹簧74的作用下，运动到关闭位置，即图6(a)位置。

本发明的快速响应电磁阀关键在于设置了回复弹簧3，来提供一个附加的回复力，来缩短关闭时间，而它并不会对电磁阀开启产生负面影响。电磁阀响应时间可以通过图7所示的线圈6的电流曲线得以体现，T1为电磁阀开启时间，T2为电磁阀的关闭时间。图7中的1点代表衔铁组件7于图6(a)位置开启运动的时刻；图7中的2点代表衔铁组件7开启到图6(b)位置的时刻，此时回复弹簧3开始产生变形，并开始积累能量；图7中的3点代表衔铁组件7到达最大开启位置图6(c)的时刻，此时回复弹簧3达到最大变形处；图7中的4点代表线圈6开始断电的时刻，衔铁组件7开始进入关闭过程，回复弹簧3弹性势能成为加速衔铁组件7关闭的能量；图7中的5点代表衔铁组件7开始运动的时刻；图7中的6点代表衔铁组件7关闭运动到图6(b)位置的时刻，此时回复弹簧3的弹性势能完全释放；图7中的7点代表衔铁组件7回到关闭位置图6(a)的时刻。所以，回复弹簧3对开启时间的影响为图7中的2点到3点间，这只占整个开启时间T1(从0时刻到点3)的很小部分，对开启时间的影响很小；正是在这个过程，回复弹簧3积蓄了加速电磁阀关闭的能量。而回复弹簧3在关闭过程中的大部分时间(点4到点6)内均在为衔铁组件7提供附加的回复力，加速衔铁组件7的关闭。这就是本发明提出的电磁阀实现快速响应的原因。

此外，衔铁组件7的衔铁73与阀体5之间存在间隙，并通过密封弹簧74和回复弹簧3实现两端悬浮，这样实现了衔铁组件7与阀体5之间不存在摩擦，这不但进一步提高了响应时间，而且提高了电磁阀的寿命。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种快速响应螺线管电磁阀，其特征在于包括：入口接头(1)、外导磁体(2)、回复弹簧(3)、阀体(5)、线圈(6)、衔铁组件(7)、阀座(9)，其中入口接头(1)上设有介质入口，阀座(9)上设有介质出口；线圈(6)缠绕在阀体(5)外侧，阀体(5)的一侧装配入口接头(1)，阀体(5)和入口接头(1)之间设置有回复弹簧(3)，阀体(5)的另一侧装配阀座(9)，衔铁组件(7)从阀体(5)内部穿过，衔铁组件(7)的一端与所述回复弹簧(3)配合，衔铁组件(7)的另一端与所述介质出口构成密封副；外导磁体(2)套接在阀体(5)和线圈(6)的外侧；所述的衔铁组件(7)与回复弹簧(3)之间设置有空程；所述的回复弹簧(3)为圆形三臂片弹簧，中心开有圆孔，圆面上对称开有三条长缝。

2.根据权利要求1所述的一种快速响应螺线管电磁阀，其特征在于：所述的衔铁组件(7)包括顶杆(71)、衔铁(73)、密封弹簧(74)和密封垫(75)；顶杆(71)为圆柱形长杆，衔铁(73)为中心开有通孔的圆柱体，在衔铁(73)圆柱体外表面开有对称的沟槽，衔铁(73)的一个端面上开有十字槽，十字槽与所述沟槽相互连通；密封弹簧(74)为圆形三臂式片弹簧，中心开有圆孔；顶杆(71)穿过密封弹簧(74)的中心孔，并从衔铁(73)未开十字槽的一端插入，将密封弹簧(74)压紧在顶杆(71)与衔铁(73)之间，并通过销钉(72)固定。

3.根据权利要求2所述的一种快速响应螺线管电磁阀，其特征在于：所述的衔铁(73)外圆与阀体(5)内孔之间存在间隙。

4.根据权利要求1或2所述的一种快速响应螺线管电磁阀，其特征在于：所述的电磁阀还包括密封弹簧垫圈(8)，密封弹簧垫圈(8)为环形薄片，安装于衔铁组件(7)与阀体(5)、阀座(9)的配合面上。

5.根据权利要求1或2所述的一种快速响应螺线管电磁阀，其特征在于：所述的电磁阀还包括回复弹簧垫圈(4)，回复弹簧垫圈(4)为环形薄片，安装于阀体(5)与回复弹簧(3)之间。

6.根据权利要求1或2所述的一种快速响应螺线管电磁阀，其特征在于：所述的阀体(5)包括左阀体(51)、隔磁环(52)和右阀体(53)，左阀体(51)和右阀体(53)均为两种不同直径的圆柱体，两端面均开有不同直径的中心通孔；隔磁环(52)为一个空心圆环，左阀体(51)小直径端面与隔磁环(52)一端面固定连接，隔磁环(52)另一端面与右阀体(53)小直径端面固定连接。

7.根据权利要求6所述的一种快速响应螺线管电磁阀，其特征在于：所述的左阀体(51)和右阀体(53)为软磁合金材料，隔磁环(52)为不锈钢材料。