CN114278762B - 基于柔性磁石的多状态电磁三通微阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性磁石的多状态电磁三通微阀，包括上端阀体、上端铁芯、上端线圈、上端柔性磁石、中阀体、下端柔性磁石、下端铁芯、下端线圈、下端阀体；上、下端铁芯分别设有与上、下端阀体的出口连通的出孔，上、下端柔性磁石可随上、下端线圈电流变化而产生的不同磁力发生形变，从而在完全封堵对应端出孔的第一工作状态和未封堵出孔的第二工作状态之间切换，且上下两端工作状态的切换是相互独立的，使得电磁三通微阀具有四种可相互切换的工作状态。本发明利用磁排斥力代替弹簧回复力，在降低关闭噪音的同时，将尺寸缩小进一步实现了电磁阀的小型化，更适合空间受限的液压(气动)系统。

Description

基于柔性磁石的多状态电磁三通微阀

技术领域

本发明属于电磁阀设计领域，具体涉及一种基于柔性磁石的多状态电磁三通微阀。

背景技术

电磁阀因其结构、工作原理简单而被广泛应用于各种流体控制系统中。三通阀常应用于需要切换回路或多个回路结合的场景中，传统电磁三通阀的结构如图1所示，包括：恢复弹簧14/19、电磁线圈15、顶杆16、控制流向的阀芯17、密封圈18和阀体等部件，驱动力主要依靠电磁线圈产生的电磁力和弹簧预紧力提供，具体工作原理为：当对电磁线圈通以一定方向的电流时，电磁力将克服预紧力使顶杆和阀芯运动，切换到另一个回路；当线圈电流撤去时，顶杆和阀芯将在预紧力的作用下切换回初始回路。

然而现有的电磁三通阀也存在不少缺点：

首先，现有的电磁三通阀采用机械弹簧作为回复机构，随着电磁阀开启次数的增加，机械弹簧的刚度会发生较大的变化，刚度随着伸缩次数的增加而逐渐降低，弹簧会出现失效的情况，这将会导致顶杆压紧阀口的力减小，使阀口密封不牢靠；此外，弹簧的使用占用过多空间，使电磁三通阀在微型回路中应用受限，很难适应空间有限的液压(气动)回路；由于阀的切换主要依靠弹簧的回复力实现，因此传统电磁阀在切换过程具有较大的噪音。

其次，目前的电磁三通阀只具有切换的功能，仅能实现从一个回路到另一个回路的切换，如图2所示。对于需要更多状态的控制阀只能通过增加腔的数目或制造更加复杂的回路，前者会使阀的体积更大，不利于小型化的发展，后者则会增加制造成本且不利于大规模的生产。因此，目前的电磁三通阀不能同时满足小型化和具有多种开闭状态的要求。

发明内容

为解决上述缺点，本发明提出了一种基于柔性磁石的多状态电磁三通微阀，用于解决电磁三通阀难以小型化、切换噪音大和开闭状态少等缺点。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种基于柔性磁石的多状态电磁三通微阀，其包括上端阀体、上端铁芯、上端线圈、上端柔性磁石、中阀体、下端柔性磁石、下端铁芯、下端线圈、下端阀体；

所述上端阀体和下端阀体分别密封设置在中阀体的上、下两端；上端阀体和下端阀体上设有出口，中阀体设有进口；

上端铁芯设置在上端阀体内，上端铁芯内设有与上端阀体的出口相连通的出孔，出孔贯穿上端铁芯，上端线圈套设在上端铁芯上；下端铁芯设置在下端阀体内，下端铁芯内设有与下端阀体的出口相连通的出孔，出孔贯穿下端铁芯，下端线圈套设在下端铁芯上；

所述上端柔性磁石和下端柔性磁石均可随磁力变化发生形变，从而在第一工作状态和第二工作状态之间切换；其中，上端柔性磁石在第一工作状态时完全封堵上端铁芯的出孔，下端柔性磁石在第一工作状态时完全封堵下端铁芯的出孔，上端柔性磁石和下端柔性磁石在第二工作状态时不封堵各自对应出孔。

为本发明的优选方案，上端铁芯出孔的下端孔沿设有凹槽，凹槽内设置有上端密封圈；下端铁芯出孔的上端孔沿设有凹槽，凹槽内设置有下端密封圈。

作为本发明的优选方案，所述的上端柔性磁石固定设置在上端阀体或中阀体的内壁上；所述下端柔性磁石固定设置在下端阀体或中阀体的内壁内，且上端柔性磁石位于下端柔性磁石的上方，两者互不接触。

作为本发明的优选方案，所述的上端柔性磁石和下端柔性磁石为镂空结构或在其上设有供流体上下穿过的通道。

作为本发明的优选方案，所述的上端阀体和下端阀体的出口、上端铁芯和端铁芯的出孔均沿电磁三通微阀的中心轴线设置。

作为本发明的优选方案，上端柔性磁石和下端柔性磁石优选为十字形结构。

作为本发明的优选方案，所述的上端柔性磁石和下端柔性磁石为充磁后对向排布，两者相互正对的两端磁极相同。

作为本发明的优选方案，所述上端柔性磁石和下端柔性磁石的材质和结构相同，均采用钕铁硼磁粉和柔性树脂混合光固化制成。将钕铁硼磁粉与光敏树脂以一定比例混合，其中磁粉为400目的钕铁硼磁粉，光敏树脂为固化波长为405nm和固化后硬度为50A的弹性树脂，将混合物使用光固化3D打印机制造成十字形状。经过电磁和物理材料性能的测试，最终制造得到的柔性磁石矫顽力为214Oe、剩磁为220Gs、杨氏模量为2.14MPa、泊松比为0.3、拉伸和弯曲强度分别为0.92MPa和0.68MPa，经过仿真可以实现其功能。柔性磁石的增材制造可参考文献如下：Joyee E B,Pan Y.Additive manufacturing of multi-materialsoft robot for on-demand drug delivery applications[J].Journal ofManufacturing Processes,2020,56:1178-1184.Li L,Jones K,Sales B,etal.Fabrication of highly dense isotropic Nd-Fe-B nylon bonded magnets viaextrusion-based additive manufacturing[J].Additive Manufacturing,2018,21:495-500.

作为本发明的优选方案，上端阀体与中阀体之间，以及下端阀体与中阀体之间均采用凹凸钳合结构配合，防止相对旋转。

本发明还公开了一种上述的基于柔性磁石的多状态电磁三通微阀的工作状态切换方法，本发明的多状态电磁三通微阀具有关闭状态、两端导通状态、上端导通状态、下端导通状态共四种状态，四种状态之间可进行切换；其中关闭状态无需通电，为一种稳态。

关闭状态下，上端柔性磁石被上端铁芯吸引而堵住上端铁芯出孔，下端柔性磁石被下端铁芯吸引而堵住上端铁芯出孔，上端柔性磁石和下端柔性磁石均处于第一工作状态，电磁三通微阀的出口和进口不连通；

当单独对上端或下端的线圈通电，使该端的柔性磁石脱离出孔进入第二工作状态时，该端的出孔与中阀体的进口导通，单侧阀口开启；

当同时对上端线圈和下端的线圈通电，并使上端柔性磁石下端柔性磁石均脱离各自的出孔进入第二工作状态时，电磁三通微阀的上下两个出口均与进口导通，两侧阀口均开启；

当电磁三通微阀需要关闭时，撤去线圈电流，上端柔性磁石和下端柔性磁石即可以在相互的排斥力和同端铁芯的吸引下，进入第一工作状态，从而关闭磁三通微阀。

与现有技术相比，本发明基于柔性磁石实现具有多个状态的电磁三通微阀，首先利用柔性磁石拓展了被动件的形式，对软阀的开发具有先导意义；其次，提出具有四个状态的电磁阀，极大节省液压(气动)回路中的控制原件数量，同时又可以实现更加复杂液压(气动)回路控制，有利于液压(气动)系统的小型化；最后，利用磁排斥力代替弹簧回复力，在降低关闭噪音的同时，将尺寸缩小进一步实现了电磁阀的小型化，更适合空间受限的液压(气动)系统。

本发明针对传统电磁三通阀开关状态少、难以小型化、噪音大和寿命低等问题，利用双线圈和互相排斥的柔性磁石构成的驱动开关结构，同时利用柔性磁石之间的非接触排斥力代替机械弹簧的回复力，在减少电磁阀体积和降低开闭噪音的同时，可实现四种开关状态，拓展了单个阀的控制逻辑，在微小的控制系统中，本发明具有极大的应用潜力。

附图说明

图1为传统电磁三通阀的结构示意图；

图2为传统三通阀和本发明提出的三通阀状态对比示意图；左边为传统三通阀，右边为本发明的电磁三通阀；

图3为本发明基于柔性三通阀的电磁三通阀的爆炸图；

图4为本发明电磁三通阀的阀体部分示意图；

图5为本发明密封部分的配合示意图；

图6为本发明驱动部分爆炸图；

图7为本发明电磁三通阀内柔性磁石排布示意图；

图8为本发明电磁三通阀四种工作状态的原理简图；

图9为关闭状态下电磁三通阀的剖面侧视图；

图10为单侧开启状态下的工作原理图，其中，左边为下侧开启剖面侧视图；右边为下侧开启剖面俯视视图；

图11为双侧开启状态下的工作原理图。

图中，1-上端阀体、2-上端铁芯、3-上端线圈、4-上端密封圈、5-上端柔性磁石、6-中阀体、7-下端柔性磁石、8-下端密封圈、9-下端铁芯、10-下端线圈、11-下端阀体、12-阀体之间的配合凹槽、14/19-恢复弹簧、15-电磁线圈、16-顶杆、17-控制流向的阀芯、18-密封圈、21-铁芯中安装密封圈的凹槽、51-柔性磁石凸起、52-柔性磁石固定端、61-中阀体配合凸起、62-中阀体进口、63-中阀体内流体通道、111-阀体与柔性磁石之间配合的凹槽。

具体实施方式

本发明的装配体爆炸图如图3所示，电磁三通阀包括上端阀体1、上端铁芯2、上端线圈3、上端密封圈4、上端柔性磁石5、中阀体6、下端柔性磁石7、下端密封圈8、下端铁芯9、下端线圈10、下端阀体11。

所述上端阀体1和下端阀体11分别密封设置在中阀体6的上、下两端；上端阀体1和下端阀体11上设有出口，中阀体6设有进口；

上端铁芯2设置在上端阀体内，上端铁芯2内设有与上端阀体的出口相连通的出孔，出孔贯穿上端铁芯2，上端线圈3套设在上端铁芯2上；下端铁芯9设置在下端阀体内，下端铁芯9内设有与下端阀体的出口相连通的出孔，出孔贯穿下端铁芯，下端线圈10套设在下端铁芯9上；上端铁芯出孔的下端孔沿设有凹槽，凹槽内设置有上端密封圈4；下端铁芯出孔的上端孔沿设有凹槽，凹槽内设置有下端密封圈8。

所述上端柔性磁石5和下端柔性磁石7均可随磁力变化发生形变，从而在第一工作状态和第二工作状态之间切换；其中，上端柔性磁石5在第一工作状态时完全封堵上端铁芯的出孔，下端柔性磁石7在第一工作状态时完全封堵下端铁芯的出孔，上端柔性磁石5和下端柔性磁石7在第二工作状态时不封堵各自对应出孔。

在本发明的一个具体实施例中，所述的上端阀体1和下端阀体11的出口、上端铁芯2和端铁芯9的出孔均沿电磁三通微阀的中心轴线设置。上端阀体1、中阀体6、下端阀体11、上端密封圈4、下端密封圈8采用柔性树脂光固化打印制造，上端铁芯2、下端铁芯9采用铁粉和柔性树脂混合打印制成，在保持铁芯聚集磁感线的前提下使其具有较为柔软的材质，上端柔性磁石5、下端柔性磁石7采用一定配比下的钕铁硼磁粉和柔性树脂混合光固化制成，兼具电磁性能和柔软度。

如图4所示，电磁三通阀的阀体包括上端阀体1、中阀体6和下端阀体11三个部分，上端阀体和下端阀体用于出气(出液)，中阀体作为进口62(进液口)。以气体为例，气体从中阀体的进口进入，通过柔性磁石的控制从上下阀体的出口中出气。阀体的周围采用“凹凸嵌合”配合防止阀体之间相对旋转，61为中阀体配合凸起。

以上端为例对本发明的密封部分进行说明，其中，铁芯、柔性磁石和密封圈的配合如图5所示，图5中，21为铁芯中安装密封圈的凹槽、51为柔性磁石凸起、52为柔性磁石固定端。本实施例的密封圈采用硬度为50A的弹性树脂制造，柔性磁石由弹性树脂和磁粉混合制成，所以在阀口关闭的状态下，较软的密封圈将被较硬的柔性磁石压缩，实现良好的气体密闭性。

仍以上端为例对本发明驱动部分进行说明，驱动部分的爆炸图如图6所示，在线圈未通电的情况下，上端柔性磁石被上端铁芯吸引，处于关闭的稳定状态，当对上端线圈通以一定方向的电流时，驱动力大于上端铁芯的吸引力，上端磁石柔性磁石可以假设为一个固定两支的悬臂梁，因此上端柔性磁石在受到向下的合力的情况下向下弯曲，中间的最大位移为上端柔性磁石的挠度，阀口打开，流体从上侧阀口中流出。

本实施例中，上端柔性磁石5固定设置在上端阀体1靠近中阀体6侧的内壁上；所述下端柔性磁石7固定设置在下端阀体11靠近中阀体6侧的内壁内，且上端柔性磁石5位于下端柔性磁石7的上方，两者工作时互不接触。如图7所示，所述的上端柔性磁石5和下端柔性磁石7为充磁后对向排布，两者相互正对的两端磁极相同，利用同性相斥的磁场排斥力实现电磁阀的断电自动关闭。

如图8所示，本发明的工作原理为：初始状态为两个通路均为关闭状态，此时电磁线圈不通电，柔性磁石在上下两个铁芯的吸引和互相的排斥力作用下紧紧贴合阀口，两个阀门均保持关闭；当对上(下)端线圈通以一定电流时，开启瞬间上(下)端柔性磁石受到向下(上)的电磁力大于铁芯的吸引力和下(上)端磁石的排斥力，柔性磁石向下(上)运动，向下(上)运动的距离即为柔性磁石在该合力下的挠度，即上(下)端阀门开启，在持续通电的情况下阀门保持打开的状态；当上(下)端线圈电流撤去时，柔性磁石在相互的排斥力作用下重新回到关闭的状态并被铁芯吸引保持关闭。同理，对两端线圈同时通以一定电流，可以实现双侧阀门开启，电流撤去即可是实现阀门关闭。因此，该三通阀具有四个状态：初始关闭状态、上(下)单端阀门开启和双端阀门开启。图2为传统三通阀和本发明提出的三通阀状态对比示意图。

图9为关闭状态下电磁三通阀的剖面侧视图；关闭状态下，两端线圈均未通电，上、下端柔性磁石分别被上、下端铁芯吸引，两侧阀口均处于关闭的状态，回路关闭。

如图10所示.当单独对下端线圈通以一定方向的电流时，下端柔性磁石受到的驱动力大于铁芯的吸引力和磁石间的排斥力，下端柔性磁石在向上的合力下产生向上的弯曲，下阀口开启，气(液)体从中间阀体进入，从下阀口流出。作为本发明的优选方案，如图10右半图所示，柔性磁石7可以为十字形结构，63为中阀体内流体通道。

如图11所示，当对两端线圈均通以一定方向的电流时，和单端开启的工作原理相似，两端柔性磁石在驱动力的作用下向中间运动，和单端开启不同的是，由于两端柔性磁石的距离变得更近，因此之间的排斥力更大，所以为实现相同的开启变形程度，双端开启电流应大于单端开启电流。

当该三通微阀需要关闭时，将驱动线圈的电流撤去，由于柔性磁石是充磁后对向排布，因此他们之间会有排斥力，在距离铁芯较远的位置排斥力较大，令柔性磁石对向运动，当距离铁芯位置较近时，铁芯的吸引力占主导位置，因此两柔性磁石在铁芯的作用下贴合密封圈，两阀门关闭。

Claims (7)

1.一种基于柔性磁石的多状态电磁三通微阀，其特征在于，包括上端阀体、上端铁芯、上端线圈、上端柔性磁石、中阀体、下端柔性磁石、下端铁芯、下端线圈、下端阀体；

所述上端阀体和下端阀体分别密封设置在中阀体的上、下两端；上端阀体和下端阀体上设有出口，中阀体设有进口；

上端铁芯设置在上端阀体内，上端铁芯内设有与上端阀体的出口相连通的出孔，出孔贯穿上端铁芯，上端线圈套设在上端铁芯上；下端铁芯设置在下端阀体内，下端铁芯内设有与下端阀体的出口相连通的出孔，出孔贯穿下端铁芯，下端线圈套设在下端铁芯上；所述的上端阀体和下端阀体的出口、上端铁芯和端铁芯的出孔均沿电磁三通微阀的中心轴线设置；

所述上端柔性磁石和下端柔性磁石均可随磁力变化发生形变，从而在第一工作状态和第二工作状态之间切换；其中，上端柔性磁石在第一工作状态时完全封堵上端铁芯的出孔，下端柔性磁石在第一工作状态时完全封堵下端铁芯的出孔，上端柔性磁石和下端柔性磁石在第二工作状态时不封堵各自对应出孔；所述的上端柔性磁石和下端柔性磁石为充磁后对向排布，两者相互正对的两端磁极相同；所述上端柔性磁石和下端柔性磁石的材质和结构相同，均采用钕铁硼磁粉和柔性树脂混合光固化制成。

2.根据权利要求1所述的基于柔性磁石的多状态电磁三通微阀，其特征在于，上端铁芯出孔的下端孔沿设有凹槽，凹槽内设置有上端密封圈；下端铁芯出孔的上端孔沿设有凹槽，凹槽内设置有下端密封圈。

3.根据权利要求1所述的基于柔性磁石的多状态电磁三通微阀，其特征在于，所述的上端柔性磁石固定设置在上端阀体或中阀体的内壁上；所述下端柔性磁石固定设置在下端阀体或中阀体的内壁内，且上端柔性磁石位于下端柔性磁石的上方，两者互不接触。

4.根据权利要求1所述的基于柔性磁石的多状态电磁三通微阀，其特征在于，所述的上端柔性磁石和下端柔性磁石为镂空结构或在其上设有供流体上下穿过的通道。

5.根据权利要求1所述的基于柔性磁石的多状态电磁三通微阀，其特征在于，上端柔性磁石和下端柔性磁石优选为十字形结构。

6. 根据权利要求1所述的基于柔性磁石的多状态电磁三通微阀，其特征在于，上端阀体与中阀体之间，以及下端阀体与中阀体之间均采用凹凸钳合结构配合，防止相对旋转。

7.一种权利要求1所述的基于柔性磁石的多状态电磁三通微阀的工作状态切换方法，其特征在于

关闭状态下，上端柔性磁石被上端铁芯吸引而堵住上端铁芯出孔，下端柔性磁石被下端铁芯吸引而堵住下端铁芯出孔，上端柔性磁石和下端柔性磁石均处于第一工作状态，电磁三通微阀的出口和进口不连通；

当单独对上端或下端的线圈通电，使该端的柔性磁石脱离出孔进入第二工作状态时，该端的出孔与中阀体的进口导通，单侧阀口开启；

当同时对上端线圈和下端的线圈通电，并使上端柔性磁石下端柔性磁石均脱离各自的出孔进入第二工作状态时，电磁三通微阀的上下两个出口均与进口导通，两侧阀口均开启；

当电磁三通微阀需要关闭时，撤去线圈电流，上端柔性磁石和下端柔性磁石即可以在相互的排斥力和同端铁芯的吸引下，进入第一工作状态，从而关闭磁三通微阀。

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