CN114718933A - 一种零位可调的二维电机直驱电液伺服阀 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种零位可调的二维电机直驱电液伺服阀，包括滑阀组件、二维电机、磁钢调零复位机构和位移传感器共四个部分，四者同轴设置。滑阀组件为传统的二维伺服阀结构，二维电机可直接驱动阀芯转动，进而控制阀口的开口大小，磁钢调零复位机构用于阀的调零复位，位移传感器可实时监测阀芯位置并反馈信号实现闭环控制。该伺服阀通过二维电机直接驱动阀芯，省去传统二维阀的传动机构，简化电‑机械转换的过程，通过磁钢调零复位机构实现无接触地零位调节和复位，减少了接触磨损，可增加伺服阀的使用寿命。此外，二维电机为湿式转子结构，可增加散热，同时避免了高压动密封的问题，提高了整体的可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及电机技术领域，特别涉及一种零位可调的二维电机直驱电液伺服阀。
背景技术
伺服阀既是电液转换元件，也是功率放大元件，它将电气部分与液压部分连接起来，实现电液信号的转换与放大，其性能在很大程度上决定了整个电液控制系统的性能。而相比于普通伺服阀，二维伺服阀具有流量大、体积小、频响高、抗污染能力强、结构简单、成本低等诸多优点。
本申请的发明人在长期的研发中发现，目前的二维伺服阀一般是通过电机驱动传动机构，传动机构再带动伺服阀的阀主体运动，而目前的二维伺服阀的调零复位则一般是使用弹簧结构，会存在电-机械转换复杂、接触磨损、高压动密封等诸多问题。
发明内容
本申请提供一种零位可调的二维电机直驱电液伺服阀，以解决现有技术中二维伺服阀中阀主体通过传动机构与电机连接和使用弹簧结构调零复位所造成的电-机转换复杂、接触磨损、高压动密封等技术问题。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是提供一种零位可调的二维电机直驱电液伺服阀，包括滑阀组件、二维电机、磁钢调零复位机构和位移传感器，所述滑阀组件、二维电机、磁钢调零复位机构和位移传感器同轴设置；
所述滑阀组件包括阀体、阀套、阀芯、同心环和端盖，所述阀芯和所述阀套一端设有伺服螺旋槽并与敏感腔连通，起到先导阀的作用，所述阀芯转过一定角度后将同时轴向移动一定距离；
所述二维电机设于所述阀体的一端，用于驱动所述阀芯转动；
所述磁钢调零复位机构设于所述二维电机的一端，用于所述阀芯的零位调节和复位；
所述位移传感器设于所述磁钢调零复位机构的一端，用于测量所述阀芯的轴向位移，将所述阀芯位置信号实时反馈给所述二维电机，实现闭环控制。
作为优选，所述滑阀组件内部设置有五个腔体，两侧为高压腔，中间为低压腔，另两个为工作腔，所述阀芯中轴线上的中心孔与所述低压腔连通，且所述阀芯在所述二维电机侧开设有小孔，所述小孔将所述二维电机的转子所在腔体与所述阀芯低压腔连通。
作为优选，所述阀芯的右侧设有台肩，所述台肩外壁面开设有均压槽，所述台肩轴向开设有通孔，将所述高压腔的液体引入到所述同心环的左侧空间。
作为优选，所述滑阀组件内部设置有五个腔体，两侧为高压腔，中间为低压腔，另两个为第一工作腔和第二工作腔，所述阀芯中轴线上的中心孔与所述低压腔连通，且所述阀芯在所述二维电机侧开设有小孔，所述小孔将所述二维电机的转子所在腔体与所述阀芯低压腔连通。
作为优选，所述阀芯的右侧设有台肩，所述台肩外壁面开设有均压槽，所述台肩轴向开设有通孔，将所述高压腔的液体引入到所述同心环的左侧空间。
作为优选，所述端盖与所述敏感腔接触的面设置有第一凹槽，所述同心环与所述高压腔接触的面设有第二凹槽。
作为优选，所述二维电机包括电机定子、电机转子、电机左端盖、电机右端盖和控制器；
所述电机转子以所述阀芯为转轴直接套设于所述阀芯上，所述电机转子转动便可直接驱动所述阀芯转动；
所述电机定子套设于所述电机转子外且与所述电机转子同轴设置，且所述电机定子轴向比所述电机转子宽，使得所述电机转子在轴向运动时仍在所述电机定子的轴向宽度范围内；
所述电机左端盖两侧分别开设有同心的第一圆凸台和第二圆凸台，所述第一圆凸台插入所述阀套，所述第二圆凸台插入所述电机定子内侧，所述电机右端盖一侧开设有第三圆凸台，插入所述电机定子内侧，从而使得所述阀芯、所述电机转子和所述电机定子能够同心；
所述控制器用于控制电机转子的旋转，即所述阀芯的旋转，根据二维阀的原理实现控制滑阀开口的大小。
作为优选，所述电机定子的内壁嵌有薄壁罩子，所述第二圆凸台插入所述电机定子的内侧部分设有第一密封圈槽，所述第三圆凸台插入所述电机定子的内侧部分设有第二密封圈槽，结合第一密封圈槽和第二密封圈槽将所述二维电机的转子腔体和定子部分隔开，构成湿式转子结构。
作为优选，所述磁钢调零复位机构包括：旋转调零复位结构和轴向复位结构；
所述旋转调零复位结构用于所述阀芯周向旋转的调零和复位，当所述滑阀组件的系统通有压力时，在所述二维电机断电后，使得所述阀芯复位至初始零位；
所述轴向复位结构用于所述阀芯轴向的复位，当所述滑阀组件的系统无压力时，可使所述阀芯的开口处于关闭状态。
作为优选，所述旋转调零复位结构进一步包括：调零板、旋转动磁钢、第一旋转静磁钢和第二旋转静磁钢；
所述调零板设有螺钉孔，与所述电机右端盖使用螺钉联接，所述螺钉孔为圆弧环形，与所述电机右端盖联接时可旋转一定角度再用螺钉拧紧固定；
所述旋转动磁钢插装在所述阀芯上，关于所述阀芯的轴对称安装；
所述两个旋转静磁钢分别插装在所述调零板的两个对称孔中；
所述旋转动磁钢和所述旋转静磁钢的端面间距相等且较小，为异极性，有吸力作用。
作为优选，所述轴向复位结构进一步包括：第一轴向动磁钢、第二轴向动磁钢、第一轴向静磁钢、第二轴向静磁钢、第一隔磁垫和第二隔磁垫；
所述第一轴向动磁钢和所述第二轴向动磁钢套设于所述阀芯上，分别贴于所述电机转子的两侧；
所述第一轴向动磁钢和所述第二轴向动磁钢与所述阀芯同轴，分别贴于所述第一隔磁垫和所述第二隔磁垫的端面上；
所述第一轴向静磁钢和所述第二轴向静磁钢分别贴在所述电机左端盖和所述调零板上，组成两对相同的磁钢，且每对磁钢间为互斥作用力，达到类似弹簧复位的效果。
作为优选，所述零位可调的二维电机直驱电液伺服阀的开口设有一定的死区，在工作过程中，通过所述位移传感器反馈的位置信号，所述控制器控制阀芯迅速跳过死区。
本申请的有益效果是：区别于现有技术，本申请的零位可调的二维电机直驱电液伺服阀通过二维电机直接驱动阀芯，省去传统二维阀的传动机构，简化电-机械转换的过程，并通过磁钢复位调零机构实现二维阀无接触地零位调节和轴向复位，减少了接触磨损，避免了高压动密封等问题，可增加伺服阀的使用寿命。此外，使用钛合金之类高强度材料的罩子将电机的转子腔体和定子部分隔开，转子腔体与低压腔连通，构成湿式转子结构，可增加散热，同时避免了高压动密封的问题，提高了整体的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
图1是本申请零位可调的二维电机直驱电液伺服阀实施例的立体结构示意图；
图2是本申请零位可调的二维电机直驱电液伺服阀实施例的剖视结构示意图；
图3是本申请电液伺服阀实施例的流道腔体部分剖视结构示意图；
图4是本申请电液伺服阀实施例的部分零件立体结构示意图；
图5是本申请磁钢调零复位机构实施例的爆炸结构示意图。
图中：01.滑阀组件；02.二维电机；03.磁钢调零复位机构；04.位移传感器；11.阀体；12.阀套；13.阀芯；131.孔；132.中心孔；133.小孔；134.台肩；135.均压槽；136.通孔；14.端盖；15.同心环；21.电机定子；211.薄壁罩子；22.电机转子22；23.电机左端盖；231.第一圆凸台；232.第二圆凸台；233.第一密封圈槽；24.电机右端盖；241.第三圆凸台；242.第二密封圈槽；25.控制器；311.调零板；3111.对称孔；3112.螺钉孔；312.旋转动磁钢；3121.上端面一；3122.下端面一；313.第一旋转静磁钢；3131.上端面二；314.第二旋转静磁钢；3141.下端面二；321.第一轴向静磁钢；322.第一轴向动磁钢；323.第一隔磁垫；324.第二隔磁垫；325.第二轴向动磁钢；326.第二轴向静磁钢；41.传感器主体；42.可移动铁芯连杆；P.高压腔；T.低压腔；A.第一工作腔；B.第二工作腔；S.敏感腔。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本申请保护的范围。
本申请中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本申请首先提出一种零位可调的二维电机直驱电液伺服阀，参见图1和图2，本实施例零位可调的二维电机直驱电液伺服阀包括滑阀组件01、二维电机02、磁钢调零复位机构03和位移传感器04共四个部分，滑阀组件01、二维电机02、磁钢调零复位机构03和位移传感器04四者同轴设置。滑阀组件01为传统的二维伺服阀结构，二维电机02可直接驱动阀芯13转动，进而控制阀口的开口大小，磁钢调零复位机构03用于阀的调零复位，位移传感器04可实时监测阀芯13位置并反馈信号实现闭环控制。目前的二维伺服阀一般是通过电机驱动传动机构，传动机构再带动伺服阀的阀主体运动，而目前的二维伺服阀的调零复位则一般是使用弹簧结构，会存在电-机械转换复杂、接触磨损、高压动密封等诸多问题。该二维电机伺服阀通过二维电机02直接驱动阀芯13，省去传统二维阀的传动机构，简化电-机械转换的过程，并通过磁钢复位调零机构03实现二维阀无接触的零位调节复位和轴向复位，减少了接触磨损，可增加伺服阀的使用寿命。此外，使用钛合金之类高强度材料的罩子211将二维电机02的转子腔体和电机定子部分隔开，转子腔体与低压腔连通，构成湿式转子结构，可增加散热，同时避免了高压动密封的问题，提高了整体的可靠性。
在本实施例中，滑阀组件01包括阀体11、阀套12、阀芯13、端盖14和同心环15，阀芯13和阀套12在图示左端设有伺服螺旋槽（图中未示出）并与敏感腔S连通，起到先导阀的作用，于是阀芯13转过一定角度后将轴向移动一定距离，因而可通过控制阀芯13的转角来控制阀的开口大小。
在本实施例中，如图3所示，滑阀组件01中，滑阀组件01内部设置有五个腔体，左右腔为高压腔P，中间为低压腔T，另两个为第一工作腔A和第二工作腔B，阀芯13中轴线上的中心孔132通过孔131与中间低压腔T连通，且阀芯13在二维电机侧开有小孔133，将电机转子22所在腔体与低压腔T相连通。
在本实施例中，阀芯13的右侧设有台肩134，台肩134外壁面开有均压槽135，台肩轴向开有通孔136，将高压腔P引入到同心环15的左侧，而此处台肩134可起到类似轴承支撑的作用。
在本实施例中，如图4所示，端盖14与敏感腔S接触的面、同心环15与高压腔P接触的面分别设有第一凹槽141和第二凹槽151，使得阀芯13运动到两端极限位置时仍能建立起压力反馈而正常工作。
在本实施例中，二维电机02包括电机定子21、电机转子22、电机左端盖23、电机右端盖24和控制器25。电机转子22以阀芯13为转轴，使用胶水粘贴或过盈装配等方式直接套设于阀芯13上，电机转子22转动便可直接驱动阀芯13转动。电机定子21套设于电机转子22外且与电机转子22同轴设置，且电机定子21的轴向宽度比电机转子22的轴向宽度要宽，使得电机转子22在轴向运动时仍在电机定子21的轴向宽度范围内，保证二维电机02在工作过程中扭矩的稳定。
在本实施例中，电机左端盖23两侧分别设有同心的第一圆凸台231和第二圆凸台232，其中第一圆凸台231插入阀套12，第二圆凸台232插入电机定子21的内侧；电机右端盖24设有第三圆凸台241，插入电机定子21内侧，从而使得阀芯13、电机转子22和电机定子21能够在组装后保持同心，电机定子21和电机转子22的径向间隙相等，二维电机02可以稳定运行。控制器25用于控制电机转子22的旋转，即阀芯13的旋转，根据二维阀的原理实现控制阀开口的大小。
在本实施例中，电机定子21的内壁嵌有钛合金之类高强度材料的薄壁罩子211，电机左端盖23的第二圆凸台232插入电机定子21内侧部分和电机右端盖24的第三圆凸台241插入电机定子21内侧部分分别设有第一密封圈槽233和第二密封圈槽242，结合密封圈将电机02的转子腔体和定子部分隔开，构成湿式转子结构。
在本实施例中，由于电机定子21和电机转子22的径向间隙比较小，比如可以是0.5mm，而为了保证装配后电机转子22可以正常转动，电机定子21的内壁罩子211的设计厚度可以是0.3mm。虽然电机转子22所在腔体为低压腔，但也会有一定压力，比如是0.5MPa，而在特殊情况下，阀遭遇外力损坏的时候，电机转子22所在腔体的压力可能会上升，比如上升到5MPa，因而罩子211使用钛合金之类高强度材料制造。虽然薄壁罩子211厚度薄，但其外壁与电机定子21的硅钢片壁面紧密贴合有支撑，因而可以承受一定的高压。
在本实施例中，磁钢调零复位机构03包括旋转调零复位结构和轴向复位结构，其中旋转调零复位结构用于阀芯13周向旋转的调零和复位，当滑阀组件01系统通有压力时，在所述二维电机02断电后，使得阀芯13复位至初始零位；轴向复位结构用于阀芯13轴向的复位，当滑阀组件01系统无压力时，可使阀的开口处于关闭状态。
在本实施例中，如图5所示，旋转调零复位结构包括调零板311、旋转动磁钢312、第一旋转静磁钢313和第二旋转静磁钢314。调零板311与电机右端盖24通过螺钉联接，调零板311上的螺钉孔3112为圆弧环形，与电机右端盖24联接时可旋转调整一定角度再用螺钉拧紧固定。旋转动磁钢312使用胶水粘贴固定插装在阀芯13的孔中，关于阀芯13的轴对称安装。第一旋转静磁钢313和第二旋转静磁钢314分别插装在调零板311的两个对称孔3111中。
在本实施例中，旋转动磁钢312和第一旋转静磁钢313、第二旋转静磁钢314的端面间距相等且较小，为异极性，有吸力作用。即图5所示中，旋转动磁钢312的上端面一3121与第二旋转静磁钢314的下端面二3141的间距和旋转动磁钢312的下端面一3122与第一旋转静磁钢313的上端面二3131的间距相等，且此间距较小，如0.2mm，以使磁作用力较大。这三个磁钢的充磁方向均为竖直方向，如上端面一3121可为N极，则下端面一3122为S极，下端面三3141为S极，则上端面二3131为N极。
在本实施例中，由于旋转动、静磁钢之间的间距很小，为使其旋转过程中不发生干涉，旋转动磁钢312的上端面一3121和下端面一3122、第二旋转静磁钢314的下端面二3141、第一旋转静磁钢313的上端面二3131可设计为圆柱面，且圆柱面的轴心与旋转轴重合。
在本实施例中，在初始安装时，阀通压力，转动调零板311，在磁力扭矩的作用下阀芯13将会转动并轴向移动，缓慢调节至阀的开口为零，即阀芯13的角度初始零位，而后使用螺钉将调零板311固定。工作过程中，阀芯13转动偏离初始零位，阀芯13将会受到复位至初始零位的扭矩，但此扭矩的最大值小于电机的额定扭矩。
在本实施例中，轴向复位结构包括第一轴向动磁钢322和第二轴向动磁钢325、第一轴向静磁钢321和第二轴向静磁钢326、第一隔磁垫323和第二隔磁垫324。第一隔磁垫323和第二隔磁垫324粘贴或过盈套设于阀芯13上，分别贴合在电机转子22的两侧；第一轴向动磁钢322和第二轴向动磁钢325与阀芯13同轴，分别粘贴于第一隔磁垫323和第二隔磁垫324的端面上；第一静磁钢321和第二静磁钢326分别粘贴在电机左端盖23和调零板311上。
在本实施例中，第一轴向动磁钢322和第二轴向动磁钢325、第一轴向静磁钢321和第二轴向静磁钢326的充磁方向均沿轴向，第一轴向动磁钢322和第一轴向静磁钢321组成一对，第二轴向动磁钢325和第二轴向静磁钢326组成一对，且每对的两个磁钢间作用力为相斥作用力。轴向初始零位时，每对的两个磁钢间的间距相等，当第一轴向动磁钢322和第二轴向动磁钢325随着阀芯轴向运动时，一对磁钢中两个磁钢间距增大，另一对磁钢中两个磁钢间距减小，会产生回复至轴向初始零位的作用力，达到类似弹簧复位的效果。
在本实施例中，位移传感器04包括传感器主体41和可移动铁芯连杆42，传感器主体41通过螺纹联接固定在调零板311上，可移动铁芯连杆42与阀芯13直接连接，从而可以直接测量阀芯13的轴向位移，亦即阀的开口大小，并将阀芯13的位置信息实时反馈给电机控制器25以精准控制阀的开口。
在本实施例中，由于磁钢调零复位机构03的旋转复位和轴向复位精度无法达到100%，因而阀的开口设有一定的死区，比如10%，即若阀芯13的行程为±1mm，则在初始零位时，阀口处阀芯13设有0.1mm的遮盖量。如此，在磁钢调零复位机构03进行旋转复位或轴向复位后，阀的开口得以处于关闭状态。在工作过程中，通过位移传感器04反馈的阀芯13的位置信号，控制器24可控制阀芯13迅速跳过死区，达到电液伺服阀的性能。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请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技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围。
Claims (10)
1.一种零位可调的二维电机直驱电液伺服阀，其特征在于，包括滑阀组件、二维电机、磁钢调零复位机构和位移传感器，所述滑阀组件、二维电机、磁钢调零复位机构和位移传感器同轴设置；
所述滑阀组件包括阀体、阀套、阀芯、同心环和端盖，所述阀芯和所述阀套一端设有伺服螺旋槽并与敏感腔连通；
所述二维电机设于所述阀体的一端；
所述磁钢调零复位机构设于所述二维电机的一端；
所述位移传感器设于所述磁钢调零复位机构的一端。
2.根据权利要求1所述的一种零位可调的二维电机直驱电液伺服阀，其特征在于，所述滑阀组件内部设置有五个腔体，两侧为高压腔，中间为低压腔，另两个为第一工作腔和第二工作腔，所述阀芯中轴线上的中心孔与所述低压腔连通，且所述阀芯在所述二维电机侧开设有小孔，所述小孔将所述二维电机的转子所在腔体与所述阀芯低压腔连通。
3.根据权利要求1所述的一种零位可调的二维电机直驱电液伺服阀，其特征在于，所述阀芯的右侧设有台肩，所述台肩外壁面开设有均压槽，所述台肩轴向开设有通孔。
4.根据权利要求1所述的一种零位可调的二维电机直驱电液伺服阀，其特征在于，所述端盖与所述敏感腔接触的面设置有第一凹槽，所述同心环与所述高压腔接触的面设有第二凹槽。
5.根据权利要求1所述的一种零位可调的二维电机直驱电液伺服阀，其特征在于，所述二维电机包括电机定子、电机转子、电机左端盖、电机右端盖和控制器；
所述电机转子以所述阀芯为转轴直接套设于所述阀芯上；
所述电机定子套设于所述电机转子外且与所述电机转子同轴设置，且所述电机定子轴向比所述电机转子宽；
所述电机左端盖两侧分别开设有同心的第一圆凸台和第二圆凸台，所述第一圆凸台插入所述阀套，所述第二圆凸台插入所述电机定子内侧，所述电机右端盖一侧开设有第三圆凸台，插入所述电机定子内侧；
所述控制器用于控制电机转子的旋转。
6.根据权利要求5所述的一种零位可调的二维电机直驱电液伺服阀，其特征在于，所述电机定子的内壁嵌有薄壁罩子，所述第二圆凸台插入所述电机定子的内侧部分设有第一密封圈槽，所述第三圆凸台插入所述电机定子的内侧部分设有第二密封圈槽。
7.根据权利要求1所述的一种零位可调的二维电机直驱电液伺服阀，其特征在于，所述磁钢调零复位机构包括：旋转调零复位结构和轴向复位结构；
所述旋转调零复位结构用于所述阀芯周向旋转的调零和复位；
所述轴向复位结构用于所述阀芯轴向的复位。
8.根据权利要求7所述的一种零位可调的二维电机直驱电液伺服阀，其特征在于，所述旋转调零复位结构进一步包括：调零板、旋转动磁钢、第一旋转静磁钢和第二旋转静磁钢；
所述调零板设有螺钉孔，与所述电机右端盖使用螺钉联接，所述螺钉孔为圆弧环形；
所述旋转动磁钢插装在所述阀芯上，关于所述阀芯的轴对称安装；
所述两个旋转静磁钢分别插装在所述调零板的两个对称孔中；
所述旋转动磁钢和所述旋转静磁钢的端面间距相等且较小，为异极性。
9.根据权利要求7所述的一种零位可调的二维电机直驱电液伺服阀，其特征在于，所述轴向复位结构进一步包括：第一轴向动磁钢、第二轴向动磁钢、第一轴向静磁钢、第二轴向静磁钢、第一隔磁垫和第二隔磁垫；
所述第一轴向动磁钢和所述第二轴向动磁钢套设于所述阀芯上，分别贴于所述电机转子的两侧；
所述第一轴向动磁钢和所述第二轴向动磁钢与所述阀芯同轴，分别贴于所述第一隔磁垫和所述第二隔磁垫的端面上；
所述第一轴向静磁钢和所述第二轴向静磁钢分别贴在所述电机左端盖和所述调零板上，组成两对相同的磁钢。
10.根据权利要求1所述的一种零位可调的二维电机直驱电液伺服阀，其特征在于，所述零位可调的二维电机直驱电液伺服阀的开口设有一定的死区。
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