CN108777207B - 一种基于电励磁的湿式双磁柱式电磁铁 - Google Patents

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Abstract

基于电激励的湿式双磁柱式电磁铁，包括底座、外壳，底座和外壳围合成内腔，衔铁轴穿过底座的中心、衔铁的中心孔、锁紧块的中心孔，衔铁与锁紧块之间以衔铁锁紧螺母连接；衔铁以可相对旋转和轴向移动的方式与衔铁轴连接，衔铁与底座间装有复位弹簧；两个导磁柱上均装有线圈架和控制线圈，密封盖板将内腔分隔为包含轭铁的密封腔和包含衔铁的低压油腔；当两个控制线圈中电流为零时，在复位弹簧作用下，衔铁处于初始位置，即衔铁的最大工作气隙位置此时底座的第一定位面与衔铁接触；当控制线圈中通入电流时，衔铁处于工作位置，即衔铁受电磁力的驱动克服复位弹簧的阻力运动到最小工作气隙位置，此时底座的第二定位面与衔铁接触。

Description

一种基于电励磁的湿式双磁柱式电磁铁
技术领域
本发明属于流体传动及控制领域中2D数字开关阀用的电-机械转换器，尤其涉及一种基于电励磁的双磁柱式电磁铁。
背景技术
电液伺服、比例及换向阀等作为核心控制元件，对整个电液控制系统的性能起着决定性的影响，历来是流体传动及控制领域的研究热点。由于电-机械转换器的输出推力受到磁饱和的限制，所谓的直动阀只能在低压小流量下应用。为了在高压大流量场合下工作，人们将其设计成先导式的两级和多级阀结构。在各类先导控制阀之中，基于滑阀双自由度设计的2D阀利用滑阀阀芯的径向旋转和轴向移动两个自由度实现先导级和功率级的功能，而在物理上依然保持直动阀的简洁，其具有轻质高能、结构简单、频响高和抗油污的特点，且可以构成2D电液伺服阀、2D电液比例阀和2D电液换向阀等全系列流体控制元件，近年来在航空航天、军用武器、船舶、大型电站、钢铁、材料试验机和振动台等领域中得到了广泛应用。尤其是其功率重量比高的核心优势，而受到军工和航空航天等用户单位的特别欢迎。
电-机械转换元件作为机械能和电磁能之间转换的核心元件，其性能好坏对于阀的静动态特性有显著影响。传统的电磁式电-机械转换器主要有动圈式和动铁式两种。动圈式力马达的线性度好、磁滞影响小、工作行程长，但其功率重量比小，通电时往往存在严重的发热问题。动铁式如喷嘴挡板阀和射流管用力矩马达等转子组件惯量小，动态响应高，但是其受气隙变化和材料磁滞影响，输出特性的非线性较严重，行程较小，此外其工作在毫安级电流下，输出转矩很小。另一种常用的动铁式电-机械转换器是比例电磁铁，其工作行程长，推力较大，易于做成湿式结构，缺点是衔铁组件惯量较大，动态响应低，且直驱阀芯时易受到摩擦力影响。此外，随着高磁能积永磁材料生产和加工成本的下降，在电-机械转换器中使用稀土永磁材料作为极化磁场源以降低功耗和减少线圈散热，至少在民用领域而言，已经成为一种较为普遍的设计方法。
为了保证电-机械转换器的电气性能不发生变化，能长期可靠的运行，视使用场合而言对永磁体的磁性能稳定性会有一定的要求。通常用永磁材料的磁性能随环境、温度和时间的变化率来表示其稳定性，主要包括热稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性等，其中热稳定性是最为关键的一个指标，通常用居里温度来表示(随着温度的升高，永磁体磁性能逐步下降，当升至某一温度时，磁化强度消失，该温度称为该永磁材料的居里温度)。对于现阶段在工业中量大面广的稀土永磁材料而言，钕铁硼永磁材料的居里温度较低(约150℃)，其不合适在高温场合下使用；而稀土钴永磁材料虽然居里温度较高(约710到880℃)，但由于钴价格较为昂贵，大大提升了电-机械转换器的制造成本。因此，综合考虑而言，采用永磁体作为励磁机构的电机械转换器由于受高温退磁的影响，不适合在军工和航空航天等工作温度变化范围较大、对可靠性要求较高的关键场合使用。
此外，电-机械转换器按照衔铁是否允许浸泡在油液里而被分为干式和湿式两类，湿式电-机械转换器由于其耐高压设计而得以取消干式结构固有的阀杆上的动密封，提高了阀的工作可靠性；衔铁工作时可以浸在油液中，油液会循环带走轭铁和衔铁的部分热量，起到改善散热的作用；油液的阻尼效应也使得阀切换时噪声小，工作平稳，延长了使用寿命。因此，具备湿式耐高压能力的高性能电-机械转换器一直是研究重点和发展方向。
发明内容
为解决采用永磁体作为励磁机构的电机械转换器由于受高温退磁的影响，不适合在军工和航空航天等工作温度变化范围较大、对可靠性要求较高的关键场合使用的缺点，本发明提供了一种基于电励磁的湿式双磁柱式电磁铁，适合作为2D电液开关阀的电机械转换器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
基于电激励的湿式双磁柱式电磁铁，包括底座2、外壳12，底座2和外壳12围合成内腔，其特征在于：衔铁轴1穿过底座2的中心、衔铁5的中心孔、锁紧块6的中心孔，衔铁5与锁紧块6之间以衔铁锁紧螺母16连接；衔铁5以可相对旋转和轴向移动的方式与衔铁轴1连接，衔铁5与底座2之间装有复位弹簧3；
两个导磁柱8上均装有线圈架13和控制线圈9，导磁柱8的一端以螺纹的方式固定在底座上，导磁柱8的另一端固定在轭铁10上，两个导磁柱8均穿过密封盖板14，密封盖板14与外壳12之间以及密封盖板14与两个导磁柱8之间均有密封装置，密封盖板14将内腔分隔为包含轭铁10的密封腔和包含衔铁5的低压油腔；
衔铁5上具有与第一导磁柱81配合形成第一磁路气隙的第一弧面51、与第二导磁柱82配合形成第二磁路气隙的第二弧面52；当两个控制线圈9中电流为零时，在复位弹簧作用下，衔铁5处于初始位置，即衔铁5的最大工作气隙位置此时底座2的第一定位面21与衔铁5接触；当控制线圈中通入电流时，衔铁5处于工作位置，即衔铁5受电磁力的驱动克服复位弹簧3的阻力运动到最小工作气隙位置，此时底座2的第二定位面与衔铁5接触；
两组线圈9通电后产生两个大小相同，方向相反的轴向磁场，两磁场的上端通过顶部由软磁材料制成的轭铁10相串联导通，下端通过同样为软磁材料制成的衔铁5相串联导通，形成一个闭合的磁路，
本发明提出的湿式双磁柱式电磁铁主要由控制线圈、导磁柱、衔铁、轭铁、复位弹簧、底座、外壳等零件组成。其结构原理如图1所示：当两个控制线圈中通入电流时，控制线圈及线圈中的导磁柱产生就会产生稳定的磁场，两个磁柱所产生的磁场通过轭铁和衔铁形成一个串联的闭合磁路，其磁路走向如图3所示；闭合的磁力线穿过导磁柱和衔铁之间的工作气隙，从而驱动衔铁旋转直到和导磁柱接触为止。当通入电流为零时，由软磁材料制成的导磁柱会迅速消磁，衔铁在复位弹簧的作用下回到原位。
所述控制线圈直接缠绕在导磁柱上组成磁柱，两个磁柱的顶部并列安装在轭铁上并用螺母固定。电磁铁在工作时，并列安装的两个控制线圈中所通的电流大小相等，方向相反，这样磁柱所产生的磁场方向就会相反而形成串联，其中一个磁柱的上端为N极，下端为S极；另一个磁柱的上端为S极，下端为N极,两个磁柱所产生的磁场通过轭铁相互导通。其中轭铁为一厚度均匀的长方形导磁金属，并在上面加工有两个对称分布的台阶凹孔，通过和磁柱的顶部紧密接触来导通磁场，将两个磁柱所产生的磁场串联起来形成一个闭合的磁场回路。
两个磁柱的上端和轭铁形成一个导通的磁路，而在下端则通过衔铁及工作气隙构成一个闭合回路。其中衔铁为十字型结构，通过中间的锥形孔与衔铁轴相连接，可相对于底座在小角度范围内旋转。当初始状态时，衔铁位于初始位置，在两边复位弹簧的作用下保持平衡状态，十字型衔铁的两个弧形曲面和导磁柱的外表面之间存在一定的工作气隙。当给控制线圈通电之后，两个线圈所产生的磁场相互导通，并穿过衔铁与导磁柱之间的工作气隙形成一个闭合的磁路，衔铁在磁场力的作用下旋转，直至与两个导磁柱的外表面相接触，其磁场矢量图如图2所示。
本发明的有益效果主要表现在：
1.本发明所提出的电磁铁采用了电励磁的方式，有效避免了采用永磁体励磁的产品由于高温退磁现象所引发的可靠性问题，适合军工及航空航天等重要场合使用。
2.本发明所提出的电磁铁具有湿式耐高压能力：其采用O形密封圈对转子容腔进行密封，从而使得油液能够进入转子腔，使其成为湿式耐高压的电-机械转换器。这种采用O型密封圈的湿式耐高压设计方法，相比传统比例电磁铁的焊接密封而言，无需焊接工序，也降低了成本。
3.本发明所提出的电磁铁采用双余度设计：电磁铁的两个磁柱结构相同，且磁柱上的两个控制线圈相互独立，当一组线圈失效时，另一组线圈仍可继续工作来驱动衔铁旋转，大大提高了系统的可靠性，适合军工及航空航天等重要场合使用。
4.本发明所提出的电磁铁相较于其他类型的电机械转换器具有结构简单、零件数量较少的优点，其核心的两个磁柱通用性强且加工方便，使得整个电磁铁的加工成本相对较低。
附图说明
图1所示为湿式双磁柱式电磁铁结构示意图；
图2所示为湿式双磁柱式电磁铁的主要磁路元件装配图；
图3所示为湿式双磁柱式电磁铁的磁路矢量图；
图4所示为湿式双磁柱式电磁铁的结构剖面图；
图5所示为湿式双磁柱式电磁铁的轭铁10的结构示意图；
图6为湿式双磁柱式电磁铁的导磁柱8的结构示意图；
图7为湿式双磁柱式电磁铁的线圈架13的结构示意图；
图8为湿式双磁柱式电磁铁的密封盖板14的结构示意图；
图9为湿式双磁柱式电磁铁的衔铁5的结构示意图；
图10为湿式双磁柱式电磁铁的衔铁锁紧块6的结构示意图；
图11为湿式双磁柱式电磁铁的底座2的结构示意图；
图12为湿式双磁柱式电磁铁的衔铁工作位置示意图；
图13为湿式双磁柱式电磁铁的外壳12的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
基于电激励的湿式双磁柱式电磁铁，包括底座2、外壳12，底座2和外壳12围合成内腔，其特征在于：衔铁轴1穿过底座2的中心、衔铁5的中心孔、锁紧块6的中心孔，衔铁5与锁紧块6之间以衔铁锁紧螺母16连接；衔铁5以可相对旋转和轴向移动的方式与衔铁轴1连接，衔铁5与底座2之间装有复位弹簧3；
两个导磁柱8上均装有线圈架13和控制线圈9，导磁柱8的一端以螺纹的方式固定在底座上，导磁柱8的另一端固定在轭铁10上，两个导磁柱8均穿过密封盖板14，密封盖板14与外壳12之间以及密封盖板14与两个导磁柱8之间均有密封装置，密封盖板14将内腔分隔为包含轭铁10的密封腔和包含衔铁5的低压油腔；
衔铁5上具有与第一导磁柱81配合形成第一磁路气隙的第一弧面51、与第二导磁柱82配合形成第二磁路气隙的第二弧面52；当两个控制线圈9中电流为零时，在复位弹簧作用下，衔铁5处于初始位置，即衔铁5的最大工作气隙位置此时底座2的第一定位面21与衔铁5接触；当控制线圈中通入电流时，衔铁5处于工作位置，即衔铁5受电磁力的驱动克服复位弹簧3的阻力运动到最小工作气隙位置，此时底座2的第二定位面与衔铁5接触；
两组线圈9通电后产生两个大小相同，方向相反的轴向磁场，两磁场的上端通过顶部由软磁材料制成的轭铁10相串联导通，下端通过同样为软磁材料制成的衔铁5相串联导通，形成一个闭合的磁路。所述的衔铁5具有四个旋翼，第一导磁柱81、第二导磁柱82穿越旋翼之间的间隙，其中两个旋翼分别设有第一弧面51、第二弧面52，另两个旋翼与底座2之间装有复位弹簧3。
本发明的结构原理图如图1所示，由衔铁轴1、底座2、四个复位弹簧3、四个固定螺钉4、衔铁5、衔铁锁紧块6、两个O型密封圈7、两个导磁柱8、两组控制线圈9、轭铁10、两个固定螺母11、外壳12、两个线圈架13、密封盖板14、密封盖板外侧的O型密封圈15、两个衔铁锁紧螺母16、底座外侧密封O型圈17等组成。两个导磁柱8上分别装有线圈架13和控制线圈9，下端以螺纹的方式固定在底座上，上端通过轭铁10相连接并以两个螺母11固定。两个导磁柱8的中间装有一个密封盖板14，其中密封盖板14的两个导磁柱安装孔内部和外圈分别装有O型密封圈7和一个O型密封圈15；衔铁5则与衔铁轴1通过锁紧块6和两个衔铁锁紧螺母16相固定，衔铁5安装在底座2上可在两个导磁柱8之间作旋转和轴向移动；衔铁5和底座2之间装有四个复位弹簧3，当两个控制线圈9中电流为零时，在四个复位弹簧相互作用下，衔铁处于初始位置，即衔铁的最大工作气隙位置此时底座2与衔铁5的两个面相接触；当控制线圈中通入一定电流时，衔铁5处于工作位置，即衔铁受电磁力的驱动克服复位弹簧阻力运动到最小工作气隙位置，此时衔铁5会与底座2的两个平面相接触，如图12所示。
湿式双磁柱式电磁铁的主要磁路元件装配图如图2所示，由两组控制线圈9、两个导磁柱8、衔铁5、轭铁10构成。其中由两组线圈9通电后产生两个大小相同，方向相反的轴向磁场，两磁场的上端通过顶部由软磁材料制成的轭铁10相串联导通，下端通过同样为软磁材料制成的衔铁5相串联导通，形成一个闭合的磁路，其磁路矢量图如图3所示；两组线圈所产生的磁力线分别通过上端的轭铁10和下端的衔铁5相串联，当衔铁5的两个弧面远离两个导磁柱8时即处于最大工作气隙位置处，此时控制线圈中通入一定电流，磁力线会穿过工作气隙并通过衔铁5，此时衔铁5会在电磁力的作用下发生旋转，其两个弧面会分别与两个导磁柱8相接触即到达最小工作气隙位置。
本发明所提出的电磁铁具有湿式耐高压能力：其采用O形密封圈对转子容腔进行密封，从而使得油液能够进入转子腔，使其成为湿式耐高压的电-机械转换器。这种采用O型密封圈的湿式耐高压设计方法，相比传统比例电磁铁的焊接密封而言，无需焊接工序，也降低了成本。图4所示为其结构剖面图：密封盖板14通过外圈的密封圈15和与两个导磁柱8之间的密封圈7将外壳12内部的空间分为上下两个部分；其中密封盖板14的上半部分为密封腔，两组线圈9及轭铁10都在该腔内。而密封盖板14的下半部分为低压油腔，可允许该部分进入低压油液，从而得以取消干式结构固有的阀杆上的动密封，提高了阀的工作可靠性，油液的阻尼效应也使得换向阀切换时噪声小，工作平稳，延长了使用寿命。
图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11和图13所示分别为轭铁10、导磁柱8、线圈架13、密封盖板14、衔铁5、锁紧块6、底座2、外壳12的结构示意图。其中密封盖板14的外圈及两个导磁柱安装孔中分别开有安装O型密封圈的凹槽。衔铁5上开有四个凹孔，主要用来限制复位弹簧的位置，弹簧的一端安装在衔铁的凹孔中，另一端安装在底座上，并通过底座上的四个定位螺钉分别调节四个复位弹簧的预压缩量。
底座2的结构如图11所示，上面有两个导磁柱的安装孔、衔铁轴的安装孔、四个复位弹簧及定位螺钉的安装孔，在底座下端的圆形外侧还有一个O型密封圈的安装槽，起到和外壳之间密封的作用。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.一种基于电励磁的湿式双磁柱式电磁铁，包括底座(2)、外壳(12)，底座(2)和外壳(12)围合成内腔，其特征在于：衔铁轴(1)穿过底座(2)的中心、衔铁(5)的中心孔、锁紧块(6)的中心孔，衔铁(5)与锁紧块(6)之间以衔铁锁紧螺母(16)连接；衔铁(5)以可相对旋转和轴向移动的方式与衔铁轴(1)连接，衔铁(5)与底座(2)之间装有复位弹簧(3)；
两个导磁柱(8)上均装有线圈架(13)和控制线圈(9)，导磁柱(8)的一端以螺纹的方式固定在底座上，导磁柱(8)的另一端固定在轭铁(10)上，两个导磁柱(8)均穿过密封盖板(14)，密封盖板(14)与外壳(12)之间以及密封盖板(14)与两个导磁柱(8)之间均有密封装置，密封盖板(14)将内腔分隔为包含轭铁(10)的密封腔和包含衔铁(5)的低压油腔；
衔铁(5)上具有与第一导磁柱(81)配合形成第一磁路气隙的第一弧面(51)、与第二导磁柱(82)配合形成第二磁路气隙的第二弧面(52)；当两个控制线圈(9)中电流为零时，在复位弹簧作用下，衔铁(5)处于初始位置，即衔铁(5)的最大工作气隙位置此时底座(2)的第一定位面(21)与衔铁(5)接触；当控制线圈中通入电流时，衔铁(5)处于工作位置，即衔铁(5)受电磁力的驱动克服复位弹簧(3)的阻力运动到最小工作气隙位置，此时底座(2)的第二定位面与衔铁(5)接触；
衔铁为十字型结构，通过中间的锥形孔与衔铁轴相连接，能相对于底座在小角度范围内旋转；当初始状态时，衔铁位于初始位置，在两边复位弹簧的作用下保持平衡状态，十字型衔铁的两个弧形曲面和导磁柱的外表面之间存在工作气隙；当给控制线圈通电之后，两个控制线圈所产生的磁场相互导通，并穿过衔铁与导磁柱之间的工作气隙形成一个闭合的磁路，衔铁在磁场力的作用下旋转，直至与两个导磁柱的外表面相接触；
两组线圈(9)通电后产生两个大小相同，方向相反的轴向磁场，两磁场的上端通过顶部由软磁材料制成的轭铁(10)相串联导通，下端通过同样为软磁材料制成的衔铁(5)相串联导通，形成一个闭合的磁路。
2.如权利要求1所述的一种基于电励磁的湿式双磁柱式电磁铁，其特征在于：所述的衔铁(5)具有四个旋翼，第一导磁柱(81)、第二导磁柱(82)穿越旋翼之间的间隙，其中两个旋翼分别设有第一弧面(51)、第二弧面(52)，另两个旋翼与底座(2)之间装有复位弹簧(3)。
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