CN106989196B - 一种电磁驱动装置及先导式电磁气动阀 - Google Patents

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Abstract

本发明属于控制阀领域，具体涉及一种电磁驱动装置及先导式电磁气动阀。该电磁驱动装置包括壳体、电磁线圈、隔磁垫、永磁铁和衔铁。该先导式电磁气动阀包括上述电磁驱动装置，还包括阀体、导阀单元和主阀单元。本发明对电磁驱动装置进行优化设计，使衔铁受到差动磁能分配，克服了永磁铁自锁力的不利影响，有效的保证了所需响应性能的可靠实现。本发明主要用于液体火箭发动机、卫星在轨执行系统、地面试验系统和自动化流体管路系统等流量较大、压力较高的场合，具有响应快速的优点。

Description

一种电磁驱动装置及先导式电磁气动阀
技术领域
本发明属于控制阀领域，具体涉及一种电磁驱动装置及先导式电磁气动阀。
背景技术
先导式电磁气动阀主要用于控制发动机的启动和关闭，普通汽车的发动机对其响应速度要求不高。
先导式电磁气动阀一般由电磁驱动装置、导阀和主阀构成，其中电磁驱动装置的设计直接影响到先导式电磁气动阀的开通或关闭速度。
航天应用领域中的轨控发动机的推进剂流量大和压力高，要求控制其启闭的先导式电磁气动阀能在大流量条件下实现快响应性能。而传统电磁阀不能满足在大流量工况下实现快响应的要求，因此需要研制一种能满足快响应、耐高压、大流量要求的先导式电磁气动阀。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种电磁驱动装置，利用永磁铁的贮能特性来增大电磁驱动的启动功率，同时通过对其内部的优化设计，使衔铁受到差动磁能分配，克服了永磁铁自锁力的不利影响，有效的保证了所需响应性能的实现。本发明还提出一种包含上述电磁驱动装置的先导式电磁气动阀，该先导式电磁气动阀具有响应快，能够满足高压、大流量的要求。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种电磁驱动装置，包括壳体、电磁线圈、永磁铁、衔铁和顶杆；所述电磁线圈、永磁铁和衔铁设置在壳体内；所述永磁铁为环形，设置在壳体内的中部，与壳体同心，永磁铁在衔铁的上下部分分别产生磁场，上磁场与下磁场的方向相反；电磁线圈与壳体同心，电磁线圈分为两段，两段电磁线圈分别设置在永磁铁的上部与下部；在电磁线圈通电后，电磁线圈产生的磁场方向与永磁铁产生的上磁场方向相反，与永磁铁产生的下磁场方向相同；所述衔铁沿壳体轴向设置，且与壳体同心，并穿过永磁铁和电磁线圈，衔铁的外侧面与永磁铁和电磁线圈的内侧面存有间隙，衔铁可在壳体内部轴向上下移动；在电磁线圈未通电时，所述永磁铁处于衔铁的上下端面之间；所述顶杆与衔铁同心设置，且顶杆的一端与衔铁的一端接触，所述顶杆在壳体内可上下运动。
进一步地，上述电磁驱动装置还包括隔磁垫，所述隔磁垫位于衔铁的上端面和壳体内部的上表面之间，所述隔磁垫用于在电磁线圈未通电时，调整衔铁的上端面和下端面分别与壳体内部的上表面和下表面之间的距离并使之相等。
进一步地，上述壳体和衔铁均采用软磁材料。
本发明提供的先导式电磁气动阀的技术方案是：一种先导式电磁气动阀，包括阀体、导阀单元和主阀单元，其特殊之处在于：
还包括上述电磁驱动装置；所述导阀单元和主阀单元都设置在阀体内；所述导阀单元包括导阀芯和复位弹簧，所述导阀芯设置在阀体内，所述导阀芯的一端与衔铁接触，所述复位弹簧设置在导阀芯的另一端与阀体之间；所述电磁驱动装置用于控制导阀单元的开启；所述导阀单元用于控制主阀单元的开启和关闭。
进一步地，上述导阀芯上靠近衔铁处设有径向密封元件。
进一步地，上述径向密封元件采用O型橡胶密封圈或弹簧蓄能密封圈。
本发明相比现有技术的优点：
1、采用永磁蓄能结构，为电磁铁提供储备磁能，在提高电磁铁响应性能的同时也保证了其驱动能力。
2、采用差动磁能分配设计，克服了永磁铁自锁力的不利影响，有效的保证了所需响应性能的可靠实现。
3、通过隔磁垫片调整衔铁与壳体内部的轴向两端面的间隙并使之相等，实现了初始永磁自锁力的相互抵消。
4、导阀芯上设置径向密封圈实现电磁驱动装置与控制介质隔离，软磁材料可不考虑介质相容性问题。
5、本发明除可应用于液体火箭发动机外，在卫星在轨执行系统、地面试验系统、自动化流体管路系统的相关阀门中均可推广应用，可有效提高阀门的响应并能保证较大的流通能力。
附图说明
图1是本发明先导式电磁气动阀的轴向剖面图；
图2是本发明先导式电磁气动阀的导阀关闭状态下的卸荷原理图；
图3是本发明先导式电磁气动阀的导阀开启状态下的卸荷原理图。
其中：1-阀体；201-壳体；202-电磁线圈；203-永磁铁；204-衔铁；205-隔磁垫；206-顶杆；3-导阀芯；31-导阀芯A段；32-导阀芯B段；33-导阀芯C段；34-导阀芯D段；311-第一控制腔贴合面；321-第一密封面；331-第二密封面；4-复位弹簧；5-径向密封元件；6-主阀芯；7-第二复位弹簧；8-密封元件B；9-导阀芯安装腔；91-腔体上部；912-第一腔体配合面；913-第一导阀阀座；914-第二导阀阀座；92-腔体中上部；93-腔体中下部；94-腔体下部；10-主阀芯安装腔；103-主阀阀座；106-控制腔；12-进气口；13-排气口；14-介质入口；15-介质出口；17-密封元件C。
d1——导阀芯A段的直径；
d2——第一导阀阀座的内径；
d3——第二导阀阀座的内径；
F——介质力。
具体实施方式
下面结合附图给出的实施例对本发明进行详述：
参见图1，一种电磁驱动装置，包括壳体201、电磁线圈202、永磁铁203、衔铁204、隔磁垫205和顶杆206；电磁线圈202、永磁铁203和衔铁204设置在壳体201内，永磁铁203为环形，设置在壳体201内的中部，与壳体201同心；电磁线圈202与壳体201同心，电磁线圈202分为两段，两段电磁线圈202分别设置在永磁铁203的上部与下部；在电磁线圈202通电后，电磁线圈202产生的磁场方向与永磁铁203产生的上磁场方向相反，与永磁铁203产生的下磁场方向相同。
衔铁204沿壳体201轴向设置，且与壳体201同心，并穿过永磁铁203和电磁线圈202，衔铁204的外侧面与永磁铁203和电磁线圈202的内侧面存有间隙，衔铁204可在壳体201内部轴向上下移动；在电磁线圈202未通电时，永磁铁203处于衔铁204的上下端面之间。顶杆206与衔铁204同心设置，且顶杆206的一端与衔铁204的一端接触，顶杆206在壳体201内可上下运动。
为了实现快响应，对电磁驱动装置进行了优化设计。通过设置隔磁垫205调整衔铁204在电磁线圈202未通电时，衔铁204的上端面与壳体201内部的上表面的距离和衔铁204的下端面与壳体201内部的下表面的距离相等或近似相等，通过该设计实现初始永磁自锁力的相互抵消，克服永磁铁203自锁力对负载的影响。
永磁铁203在壳体201和衔铁204内形成上下磁路，当衔铁204相对于壳体201内部轴向上下端面的工作间隙相等时，永磁铁203上下端产生的自锁力相互抵消，对导阀的密封及启动力状态不产生影响；当电磁线圈202通电后，由于电磁线圈202产生的磁场方向与永磁铁203上磁路磁场方向相反，与永磁铁203下磁路磁场方向相同，使得永磁铁203产生的上磁路减弱，下磁路增强，衔铁204双端面电磁吸力打破平衡，从而产生轴向向下的电磁吸力。
参见图1，一种先导式电磁气动阀，包括阀体1、导阀单元、主阀单元和电磁驱动装置。导阀单元包括导阀阀芯组件，主阀单元包括主阀阀芯组件。阀体1内设有导阀芯安装腔9、主阀芯安装腔10、进气口12、排气口13、介质入口14和介质出口15。
导阀阀芯组件设置在导阀芯安装腔9内，导阀阀芯组件包括导阀芯3、复位弹簧4和径向密封元件5；主阀阀芯组件包括主阀芯6。
导阀芯安装腔9从上至下依次分为腔体上部91、腔体中上部92、腔体中下部93和腔体下部94，腔体上部91和腔体中上部92之间设有第一腔体配合面912，腔体中上部92和腔体中下部93之间设有第一导阀阀座913，腔体中下部93和腔体下部94之间设有第二导阀阀座914。
主阀芯安装腔10包括控制腔106；在介质出口15处设有主阀阀座103。
导阀芯3分为导阀芯A段31、导阀芯B段32、导阀芯C段33和导阀芯D段34，导阀芯A段31位于腔体上部91和腔体中上部92内，导阀芯B段32位于腔体中上部92和腔体中下部93内，导阀芯C段33位于腔体中下部93内，导阀芯D段34位于腔体中下部93和腔体下部94内；复位弹簧4设置在腔体下部94内且位于导阀芯D段34和阀体1之间。
导阀芯A段31的侧面为第一控制腔贴合面311，所述第一控制腔贴合面311与第一腔体配合面912配合，导阀芯B段32和导阀芯C段33之间形成第一密封面321，导阀芯C段33和导阀芯D段34之间形成第二密封面331。
进气口12与腔体中上部92连通，排气口13与腔体下部94连通，腔体中下部93与主阀芯安装腔10连通。
电磁驱动装置包括壳体201、电磁线圈202、永磁铁203、衔铁204、隔磁垫205和顶杆206；电磁线圈202、永磁铁203和衔铁204设置在壳体201内，永磁铁203为环形，设置在壳体201内的中部，与壳体201同心；电磁线圈202与壳体201同心，电磁线圈202分为两段，两段电磁线圈202分别设置在永磁铁203的上部与下部；衔铁204沿壳体201轴向设置，且与壳体201同心，并穿过永磁铁203和电磁线圈202，衔铁204的外侧面与永磁铁203和电磁线圈202的内侧面存有间隙，衔铁204可在壳体201内部轴向上下移动；在电磁线圈202未通电时，永磁铁203处于衔铁204的上下端面之间。顶杆206与衔铁204同心设置，且顶杆206的一端与衔铁204的一端接触，顶杆206在壳体201内可上下运动。
为了实现快响应，对电磁驱动装置进行了优化设计。通过设置隔磁垫205调整衔铁204在电磁线圈202未通电时，衔铁204的上端面与壳体201内部的上表面的距离和衔铁204的下端面与壳体201内部的下表面的距离相等或近似相等，通过该设计实现初始永磁自锁力的相互抵消，克服永磁铁203自锁力对负载的影响。
其中径向密封元件5、密封元件B8和密封元件C17可采用O型橡胶密封圈或弹簧蓄能密封圈。壳体201与衔铁204均采用软磁材料。
本发明提供的先导式电磁气动阀的工作原理是：
在初始状态时，永磁铁203在壳体201内形成上下磁路，当衔铁204相对于壳体201内部轴向上下端面的工作间隙相等时，永磁铁203上下端产生的自锁力相互抵消，对导阀的密封状态不产生影响；当电磁线圈202通电后，由于电磁线圈202产生的磁场方向与永磁铁203上磁路磁场方向相反，与永磁铁203下磁路磁场方向相同，使得永磁铁203产生的上磁路减弱，下磁路增强，衔铁204双端面电磁吸力打破平衡，从而产生轴向向下的电磁吸力，通过顶杆206驱动导阀芯3向下运动，当导阀芯3朝向排气口13移动时，控制气从进气口12进入导阀芯安装腔9，导阀芯3移动到行程上限后，第二密封面331与第二导阀阀座914形成密封配合，阻止控制气从排气口13流出，控制气在控制腔106内建立压力后，驱动主阀芯6朝向介质出口15移动，介质出口15打开，推进剂介质从介质入口14流出介质出口15，发动机开始工作；电磁驱动装置断电后，电磁线圈202磁势带来的磁能迅速减弱，最终，复位弹簧4克服全开位置的永磁自锁力，控制气从排气口13排出，主阀芯安装腔10的控制腔106内卸压，第二复位弹簧7复位迅速推动主阀芯6朝向导阀芯3移动，主阀芯6与主阀阀座103形成密封，阻止推进剂介质从介质出口15流出，导阀芯3移动到行程上限后，第一密封面321和第一导阀阀座913形成密封，关闭控制腔106，切断推进剂介质的供应，发动机关机。
导阀芯A段31采用O型橡胶密封圈实现电磁驱动装置与控制介质隔离，电磁驱动装置使用的软磁材料可不考虑介质相容性问题。
主阀芯6使用密封元件B8和密封元件C17两道密封，密封元件B8防止控制气进入介质燃料内，密封元件C防止推进剂介质进入导阀芯安装腔9内。
第一密封面321和第二密封面331分别与第一导阀阀座913和第二导阀阀座914采用菌状密封，此处也可采用锥面密封；主阀芯13与主阀阀座103采用锥面密封，此处也可采用菌状密封。
为了实现快响应，对电磁驱动装置进行了优化设计。通过设置隔磁垫205调整衔铁204在电磁线圈202未通电时，衔铁204的上端面与壳体201内部的上表面的距离和衔铁204的下端面与壳体201内部的下表面的距离相等或近似相等，通过该设计实现初始永磁自锁力的相互抵消，克服永磁铁203自锁力对负载的影响。
参见图2和图3，为实现快响应，对导阀芯3和导阀芯安装腔9进行了优化设计。在伸入腔体上部91内的导阀芯A段31上设置径向密封元件5，阻止控制气进入腔体上部91，从而避免导阀芯A段31端面承受控制气压力，同时，利用导阀芯A段31的直径d1和第一导阀阀座913的内径d2、第二导阀阀座914的内径d3相等，构成卸荷结构。在导阀进气端密封状态下，利用导阀芯A段31的直径d1和第一导阀阀座913的内径d2相等构成卸荷结构，减小介质力带来的负载力。在导阀排气端密封状态下，利用导阀芯A段31的直径d1和第二导阀阀座914的内径d3相等构成卸荷结构，减小介质力对导阀芯3关闭的影响，实现快速响应。
本实施例只展示了一种应用了本发明电磁驱动装置的先导式电磁气动阀，本发明的电磁驱动装置也可与其他结构的导阀和主阀构成先导式电磁气动阀。
本发明除可应用于液体火箭发动机外，在卫星在轨执行系统、地面试验系统、自动化流体管路系统的相关阀门中均可推广应用，可有效提高阀门的响应并能保证较大的流通能力。
本领域技术人员可以根据不同的设计要求和设计参数在不偏离权利要求所界定的结构的情况下进行各种增补、改进和更换，因此，本发明是广泛的。

Claims (6)

1.一种电磁驱动装置，其特征在于：包括壳体(201)、电磁线圈(202)、永磁铁(203)、衔铁(204)和顶杆(206)；
所述电磁线圈(202)、永磁铁(203)和衔铁(204)设置在壳体(201)内；
所述永磁铁(203)为环形，设置在壳体(201)内的中部，与壳体(201)同心，永磁铁(203)在衔铁(204)的上下部分分别产生磁场，上磁场与下磁场的方向相反；
所述电磁线圈(202)与壳体(201)同心，电磁线圈(202)分为两段，两段电磁线圈(202)分别设置在永磁铁(203)的上部与下部；在电磁线圈(202)通电后，电磁线圈(202)产生的磁场方向与永磁铁(203)产生的上磁场方向相反，与永磁铁(203)产生的下磁场方向相同；
所述衔铁(204)沿壳体(201)轴向设置，且与壳体(201)同心，并穿过永磁铁(203)和电磁线圈(202)，衔铁(204)的外侧面与永磁铁(203)和电磁线圈(202)的内侧面存有间隙，衔铁(204)可在壳体(201)内部轴向上下移动；
在电磁线圈(202)未通电时，所述永磁铁(203)处于衔铁(204)的上下端面之间；
所述顶杆(206)与衔铁(204)同心设置，且顶杆(206)的一端与衔铁(204)的一端接触，所述顶杆(206)在壳体(201)内可上下运动。
2.根据权利要求1所述的一种电磁驱动装置，其特征在于：还包括隔磁垫(205)，所述隔磁垫(205)位于衔铁(204)的上端面和壳体(201)内部的上表面之间，所述隔磁垫(205)用于在电磁线圈(202)未通电时，调整衔铁(204)的上端面和下端面分别与壳体(201)内部的上表面和下表面之间的距离并使之相等。
3.根据权利要求2所述的一种电磁驱动装置，其特征在于：所述壳体(201)和衔铁(204)均采用软磁材料。
4.一种先导式电磁气动阀，包括阀体(1)、导阀单元和主阀单元，其特征在于：
还包括权利要求1-3任一项所述的电磁驱动装置；
所述导阀单元和主阀单元都设置在阀体(1)内；
所述导阀单元包括导阀芯(3)和复位弹簧(4)，所述导阀芯(3)设置在阀体(1)内，所述导阀芯(3)的一端与衔铁(204)接触，所述复位弹簧设置在导阀芯(3)的另一端与阀体之间；
所述电磁驱动装置用于控制导阀单元的开启；
所述导阀单元用于控制主阀单元的开启和关闭。
5.根据权利要求4所述的一种先导式电磁气动阀，其特征在于：所述导阀芯(3)上靠近衔铁(204)处设有径向密封元件(5)。
6.根据权利要求5所述的一种先导式电磁气动阀，其特征在于：所述径向密封元件(5)为O型橡胶密封圈或弹簧蓄能密封圈。
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