CN112096901A - 直线电机与旋转电机协同直驱阀芯阀座分离型无摩擦球阀 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无摩擦球阀领域，具体涉及一种直线电机与旋转电机协同直驱阀芯阀座分离型无摩擦球阀，包括圆形初级绕组块、直线电机安装架、输出轴、动力机构安装架，旋转电机磁极与圆形初级绕组块均固连在输出轴上；动力机构安装架的上端固连在旋转电机定子上，下端固连有中空球形阀体，中空球形阀体内部配合安装有外球内锥形阀座，中间部位配合安装有锥形阀芯，锥形阀芯的上端通过销轴与输出轴相固连。本发明将伺服电直驱、分散多动力、机电一体化和阀芯与阀座组合可脱离的思想应用到传统的球阀设计中，从而达到动力元件精确控制，分散动力各自驱动可靠性更高，减少或直接省去传动机构，阀体开闭过程均与阀座无接触摩擦运动的目的。
Description
技术领域
本发明涉及无摩擦球阀领域，具体涉及一种直线电机与旋转电机协同直驱阀芯阀座分离型无摩擦球阀。
背景技术
我国作为石油运输、消耗大国，用于石油运输的管道总长度已经超过2万公里，并且呈逐年递增趋势。而球阀作为调节管道流量的重要部件被广泛应用于油、气运输管线路中。由于球阀具有流体阻力小，启闭速度快和操作简单等特点，因此广泛使用在在石油、化工、电站等行业。球阀的密封是通过球体和阀座之间预先设定的预紧力加上液体压力在阀座密封面上引起的作用力形成的。
传统球阀普遍存在着以下缺陷：①、在阀门的开启与关闭过程中，球体始终与阀座紧密贴合，旋转时摩擦力大，长期多次使用后，球体与阀座磨损现象严重。②、长期频繁操作后，阀芯产生磨损使阀门在导通或关闭状态下会产生泄露等不良状况，使用寿命较短。③、启闭操作十分费力，常常受到使用环境包括流动截止温度、压力的限制。大型的球阀其驱动装置设计也不够完善，减速器等部分体积较大，不利于安装等问题都影响了其使用性能，难以满足现代工业生产的需要。
目前市场上存在的无摩擦球阀可分为两大类。一类是偏置式无摩擦球阀，通过偏心拨杆拨动阀芯整体沿底部中轴线产生偏移，阀芯与阀座脱离接触，进而使得开闭阀门过程无摩擦；另一类是轨道式无摩擦球阀，此类无摩擦球阀阀芯部分多为楔形阀芯，且阀芯阀瓣分开制作，相互配合移动，可将上下竖直位移转化为阀瓣的水平位移进而达到无摩擦的效果。上述两大类无摩擦球阀也都存在传动机构设计复杂，且偏置式的无摩擦偶发密封效果存在较大缺陷，不可在关键管路中使用。
发明内容
为解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种直线电机与旋转电机协同直驱阀芯阀座分离型无摩擦球阀，将伺服电直驱、分散多动力、机电一体化和阀芯与阀座组合可脱离的思想应用到传统的球阀设计中，从而达到动力元件精确控制，分散动力各自驱动可靠性更高，减少或直接省去传动机构，阀体开闭过程均与阀座无接触摩擦运动的目的。
本发明实现上述功能的技术方案是：一种直线电机与旋转电机协同直驱阀芯阀座分离型无摩擦球阀，其特殊之处在于：
包括圆形初级绕组块、输出轴、动力机构安装架，圆形初级绕组块的外侧配合安装有环形永磁体组，环形永磁体组下端固连在直线电机安装架上，直线电机安装架固连在旋转电机定子上；
旋转电机定子的内部安装有旋转电机磁极，旋转电机磁极与圆形初级绕组块均固连在输出轴上；
动力机构安装架的上端固连在旋转电机定子上，动力机构安装架的下端固连有中空球形阀体，中空球形阀体内部配合安装有外球内锥形阀座；
外球内锥形阀座的中间部位配合安装有锥形阀芯，锥形阀芯的上端通过销轴与输出轴相固连；中空球形阀体底部中间位置的配合安装有上端光轴下端螺纹式泄放螺栓，上端光轴下端螺纹式泄放螺栓上端光轴部分插入锥形阀芯底面的凹槽中。
进一步地，上述圆形初级绕组块的外侧1～2mm间隙处配合安装有环形永磁体组。
本发明的优点：
1、本发明采用分散多动力，伺服电直驱，机电一体化的思想进行设计，使用两套动力源，直线电机和旋转电机共同驱动同一根输出轴，使一根轴可以完成直线移动和旋转运动，互不干扰，由此可达到更高的系统可靠性和更高的传动效率；
2、本发明阀体部分采用阀座与阀体直接相接合、锥形阀芯通过竖直上移与阀座脱离接触、再旋转至开启/闭合状态的结构达到启闭无摩擦，克服了以往楔形阀芯在上移过程中仍存在摩擦的问题，使得阀体寿命大大延长；
3、本发明阀芯的底部的凹槽配合特殊的泄放螺栓设计，可以起到阀芯上移及旋转过程的导向作用，在阀门状态切换完毕后，拧出泄放螺栓可以排除切换过程中残存的液体。
附图说明
图1为本发明实施例中球阀完全关闭时的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例中球阀完全开启时的剖面结构示意图；
图3为本发明旋转电机部分结构示意图；
图4为本发明直线电机部分结构示意图。
图中：1、圆形初级绕组块；2、环形永磁体组；3、直线电机安装架；4、旋转电机定子；5、旋转电机磁极；6、动力机构安装架；7、中空球形阀体；8、上端光轴下端螺纹式泄放螺栓；9、外球内锥形阀座；10、锥形阀芯；101、凹槽；11、销轴；12、输出轴。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
如图1～图4所示，一种直线电机与旋转电机协同直驱式无摩擦球阀，包括圆形初级绕组块1，圆形初级绕组块1外侧1～2mm间隙处配合安装有环形永磁体组2，环形永磁体组2下端固连在直线电机安装架3上，直线电机安装架3固连在旋转电机定子4上。旋转电机定子4内部安装有旋转电机磁极5。旋转电机磁极5与圆形初级绕组块1均固连在输出轴12上。动力机构安装架6的上端固连有旋转电机定子4，动力机构安装架6的下端固连有中空球形阀体7，中空球形阀体7底部中间位置的配合安装有上端光轴下端螺纹式泄放螺栓8，上端光轴下端螺纹式泄放螺栓8上端光轴部分插入锥形阀芯10底面的凹槽101中，中空球形阀体7内部配合安装有外球内锥形阀座9，外球内锥形阀座9的中间部位配合安装有锥形阀芯10，锥形阀芯10的上端通过销轴11与输出轴12相固连。
其中，图1为关闭状态剖面示意图，此时动力机构已经执行完毕，上端光轴下端螺纹式泄放螺栓8顶部与锥形阀芯10底部凹槽101完全接触，限制了锥形阀芯10的竖直高度位置，从而使此时的锥形阀芯10下半段圆锥的实体部分与外球内锥形阀座9完全贴合，紧密接触，实现对流体的阻断，阀门关闭。
图2中，阀门处于开启状态，锥形阀芯10圆锥部分的圆柱形通孔与管道流路完全重合齐平，流体可以通过，阀门完全打开。
参见图3，所示旋转电机结构简单，由直接固连在输出轴上12上的多块永磁体作为旋转电机磁极5和旋转电机定子4组成。磁极的形状为具有一定厚度的弧形片，外径略小于环形永磁体的内径，二者也存1～2mm的气隙。磁极长度大于旋转电机定子4的高度，可以使输出轴在上升或下降后仍然有大部分的磁极处于定子圆柱体内，以此保证磁通的变换波动较小，不影响旋转电机的旋转运动输出。
参见图4，为了便于观察直线电机结构，展示出了环形永磁体组2的部分环形永磁体。多个环形永磁体轴向高度之和大于圆形初级绕组块1，且二者差值大于锥形阀芯10上升运动的距离。
本发明的工作原理为：
1、阀门由关闭转换到开启的过程：直线电机的圆形初级绕组块1通电产生磁场，由于环形永磁体组2的磁性排列是NSNS……多块堆叠放置，且与圆形初级绕组块1存在均匀气隙，即可产生电磁力，由此拉动圆形初级绕组块1竖直向上运动，与其固连的输出轴12同时竖直向上移动，输出轴12下端通过销轴11与锥形阀芯10连接，由此锥形阀芯10竖直向上运动，由于锥面在原先高度是完全贴合的，竖直高度改变后，阀芯10外表面立即与外球内锥形阀座9内表面脱离贴合。此时旋转电机定子4的三相绕组通电，产生沿轴向旋转的旋转电磁场，与旋转电机磁极5产生闭合磁通回路，因此带动磁极，进一步带动输出轴12进行旋转(顺时针或逆时针均可)90°停止，通过销轴11传递扭矩，锥形阀芯10也跟随转动90°至圆柱形通孔与管道流路完全平行，然后旋转电机停止供电，直线电机中的圆形初级绕组块1通入与开始相反的电流，产生竖直向下的电磁力，带动输出轴12，进一步带动锥形阀芯10竖直向下运动，直至阀芯凹槽101与上端光轴下端螺纹式泄放螺栓8顶部接触，运动被限制停止，此高度下阀芯的圆柱形通孔完全与管道流路重合，液体可以流过，阀门完全打开。
2、阀门由开启转换到关闭的过程：阀门关闭的过程与阀门开启的过程完全一致，锥形阀芯10先竖直上升，与外球内锥形阀座9脱离接触后再旋转90°至锥形阀芯10实体部分与管道平行，再下降至固定高度处与阀座完全贴合，阀芯完全堵住流体，阀门关闭。
3、本发明阀门状态切换完毕排放残余液体过程：上端光轴下端螺纹式泄放螺栓8的上端光轴部分在上述两个过程中均起到了对锥形阀芯运动的导向和限位作用。在状态切换完毕后，从外部旋转出上端光轴下端螺纹式泄放螺栓8与中空球体腔式阀体7底部脱离，即可排出腔内残余液体。
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (2)
1.一种直线电机与旋转电机协同直驱阀芯阀座分离型无摩擦球阀，其特征在于：
包括圆形初级绕组块(1)、输出轴(12)、动力机构安装架(6)，圆形初级绕组块(1)的外侧配合安装有环形永磁体组(2)，环形永磁体组(2)下端固连在直线电机安装架(3)上，直线电机安装架(3)固连在旋转电机定子(4)上；
旋转电机定子(4)的内部安装有旋转电机磁极(5)，旋转电机磁极(5)与圆形初级绕组块(1)均固连在输出轴(12)上；
动力机构安装架(6)的上端固连在旋转电机定子(4)上，动力机构安装架(6)的下端固连有中空球形阀体(7)，中空球形阀体(7)内部配合安装有外球内锥形阀座(9)；
外球内锥形阀座(9)的中间部位配合安装有锥形阀芯(10)，锥形阀芯(10)的上端通过销轴(11)与输出轴(12)相固连；中空球形阀体(7)底部中间位置的配合安装有上端光轴下端螺纹式泄放螺栓(8)，上端光轴下端螺纹式泄放螺栓(8)上端光轴部分插入锥形阀芯(10)底面的凹槽(101)中。
2.根据权利要求1所述的一种直线电机与旋转电机协同直驱阀芯阀座分离型无摩擦球阀，其特征在于：
圆形初级绕组块(1)的外侧1～2mm间隙处配合安装有环形永磁体组(2)。
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