CN1245568A - 电流气压变换器 - Google Patents

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Abstract

一台电—气马达,包括一个可由电能来补充能量的磁路,并带有一个弹性悬浮在两个不同尺寸的磁极片间的气隙上的电枢。一个磁极片包含有轴向可调节的磁性材料元件,另一个磁极片上有一个气流喷嘴。轴向可调节的磁极片元件可影响磁场强度。在一个实施例中,磁极片元件带有一块永磁体,它可相对于电枢移动,该电枢被定位在磁极表面正中央。永磁体的静磁场与电磁感应的可变磁场共同作用,使得电流与电枢受力之比更加线性化,并且增加了电枢上的受力值。为了决定马达的运行点,电枢的悬架可被预拉伸以使得它尽可能靠近喷嘴,磁铁可被移动直至电枢被拉离喷嘴。

Description

电流气压变换器
                        发明背景
本发明整体涉及用于将电流信号转换为气流压力的装置。
在操作控制系统时，通常需要将电信号转换为压力信号，本项技术的一个非常有名的应用实例是应用在一个电流气压变换器中，例如用于驱动一台用于流量控制的可调机械阀门。将电信号转换为压力信号的转换器或变换器的一种通用方式是将直流电流幅值(1)转换为气流压力(P)的变换器，主要应用于生产过程仪表化技术中，例如I/P电机，它通常与压力放大器，反馈控制以及定位器耦合在一起，在这里就称为电动气动定位器。在上述定位器常用的I/P电机中，由可磁化磁性材料制成的电枢通常悬浮在离喷嘴表面很近的磁路中，该喷嘴可作为加压气流回路的可控排气口，电枢与喷嘴一起构成了一个瓣阀类型的气流阀门。磁场回路包括一个电磁绕组线圈，它可根据绕圈中的电流幅值(例如，电流输入信号)产生可变的磁场。在任一给定的电流输入下，电枢与喷嘴之间的气隙间距保持相对恒定，这是由于作用在电枢上的磁力大小加上悬架的弹力与喷嘴喷射到电枢上的流体压力相平衡的结果。但是，由电枢所经历的磁场变化，将会引起电枢靠近或远离喷嘴，因而对喷嘴处的气流的阻塞效果也随之增加或减少，从而以与直流电流幅值呈函数关系的方式相应地增加或减少气压值。
                        发明概述
通常来说，根据本发明的一方面，一台电-气马达，例如，一个电流—压力变换器，包括一段可由电能来补充能量的磁路，在它的两个相对的磁极片之间的气隙中可弹性悬浮一块电枢。磁极片之一中带有一个轴向可调节的磁性材料元件。磁极片之一带有气流喷嘴。
在一个具体实施例中，磁极片元件的轴向调节可改变电流所感应出的磁场强度的大小。可调节磁极片元件也可带有一段可磁化的芯子，且该元件相对于芯子可轴向移动。
在一种常用的设计方案中，电枢为一块弱导磁性材料做成的金属块，它定位于隔板上扁平弹簧的中央。而隔板的四周被上下匹配的圆柱形磁性材料外壳所固定。上下两半部分的末端都有一段支撑着相对的磁极片，一个与线圈相连接，另一个支撑着一个喷嘴。在一种具体实施例中，容器外壳由铬镍金钢合金组成，如通过金属注模法，并带有耐蚀镍基合金B制成的电枢。
在另一个具体方案中，磁极片元件是固定的，一个磁极片元件包括一个永磁体，它可相对于电枢轴向移动。在一种设计中，永磁体是一实心元件，例如，一种盘状的坚硬的稀土磁体，它被安装在由线圈绕组环绕的磁极片的中央。
本发明的另一个方面，位于线圈磁极片表面的轴向可移动的永磁体被用来调节I/P变换器的工作运行点。电枢被弹簧偏压或被预拉伸，因此当永磁体未被加入时，喷嘴可被封闭。将永磁体移向电枢，直到它将电枢从喷嘴处拉开。这种调节使得I/P转换器的运行特性曲线可被校准。
使用可调线圈磁芯元件使得可以在校准仪器的实际方式下，调节力特性而无须考虑电流影响。在带永磁体的实例中，瓣阀喷嘴的距离可通过轴向移动永磁体而加以调节，直至达到正确的运行点。另外，电流与力之间的关系可通过使用磁极表面的固定或可调的永磁体加以改变，在电流较低时，不带永磁体的电枢受力也较低。当使用本发明的永磁体时，永磁体的静磁场使得低电流下的电枢受力增大，因此可减小I/P电机的体积与重量。在磁极末端正对电枢的位置处使用永磁体有助于使得较低的电流值与它在电枢上产生的感应力成呈线性化关系，而且，在显示出的实例中，感应力还与电流方向有关。
                     附图简要说明
图1是本发明所提到的带有一个可调节磁极元件的I/P变换器电机的轴向截面图。
图2是图1所示的I/P电机的弹簧与瓣阀组件的平面图。
图3是图1所示的I/P电机的喷嘴瓣阀气隙的细节截面图。
图4是本发明的另一方面所提到在磁极片表面加一可移动的永磁体的I/P变换器电机的纵向截面图解。
图5是由毫安级电流所产生的作用在电枢上(任意尺寸)的力的函数图，比较了使用永磁体的系统(连续线)和不使用永磁体的系统(点划线)。
图6是本发明提到的在磁极片表面上带有可移动永磁体的I/P电机的另一个实施例的纵向图。
                   最佳实施例描述
正如图1所示，一个I/P电机包括一个通常是圆柱形的罩或外壳10，其整体闭合端用如低碳钢1010-1020的磁性材料做成。外壳通常由两部分相互匹配的结构组成，一个茶杯式的上半部(12)和一个圆柱形的下半部(14)，下半部分带有环形的浅凹口(14a，用阴影线画出)。上半部外壳12的顶端(12a)带有同轴的螺纹孔(12b)，它可容纳下同样材料做成的螺栓状上磁极片16的带螺纹的末端。磁极片16的下端是一增大的同轴圆盘或是磁极表面16a，如图1所示。安装在磁极片16的螺杆上的元件是线圈绕组18，它由在一尼龙线轴上缠绕8000圈39号磁性线圈而成，如图所示，一个二齐纳二极管穿过绕圈末端(图上未标出)。线轴被固定在外壳顶端12a的下方，它并不与磁极片16直接相连。线圈20从上壳部分12a的侧壁上的开口12c伸出，它的作用是将电流从外部电源上(未标明)引至线圈中，电流值一般为0-4毫安。
下半外壳14与上半外壳12通过互锁的铰链相互连接，如图所示，它夹住了通常为平面的膜片状弹簧22四周，如图2所示，弹簧被蚀刻成三个螺旋状支臂24，由300号非磁性不锈钢构成。外壳上下两部分之间的任选垫片环26在磁极表面16a的下方紧紧夹住了弹簧。弹簧的厚度为如0.0075英寸。附着在弹簧22的上表面中央的是一可导磁的盘状电枢28。电枢28采用的钢材与外壳相同，它的厚度约为0.0185英寸，直径比磁极表面稍小。因此电枢位于磁极表面的下方，由扁平的弹簧22弹性悬挂着。
下半外壳14是电磁线圈磁路的一部分，它也包括一个磁极片30，在该磁极片上端载有一整体喷嘴32，并带有300系列非磁性不锈钢做成的同轴喷嘴插头34(如图3所示)。喷嘴插头稍微伸出喷嘴32的末端(如0.0005英寸)图3所示。下半外壳14的躯干和喷嘴磁极片30上开槽如图1所示，该开槽用以将入口36处引入的加压流体通过外形为一螺旋针状阀门的可调节流阀38送至喷嘴处，气流通过气流出口40排出I/P电机，该出口与供应喷嘴的开槽相连。因此，在入口与出口之间，一部分气流压力可通过喷嘴释放掉。喷嘴磁极片30可螺旋的安装在外壳14上，因此凹口14a底部上的喷嘴的位置可被调节。气流回路中可移动组件上的适用的O形环，即磁极片30以及节流阀38，如图所示封闭了气流通路。
输出通路上的气压是喷嘴插头34与电枢28之间的气隙G1的函数(图3所示)，气隙越大，从喷嘴处喷出的气流越多，出口40处气压也就越低，反之亦然。气隙G1也决定了喷嘴作用在电枢28上的气流推力的大小。
因为上磁极表面16a的尺寸比下磁极表面30要大，而且下磁极表面带有非磁性材料做成的喷嘴，在下磁极30的方向上磁阻减小，因此产生了不均匀的磁场。通过增加线圈18中的电流输入，从而增加了喷嘴32与磁极表面16a之间的气隙的磁通密度，使电枢26受到磁力，将其拉向喷嘴，从而电枢更加堵住了喷嘴导致喷嘴与节流阀38之间的压力相应的增加，该压力又与出口40相通。下端气隙G1和位于电枢与磁极表面16a之间的上端气隙G2一起决定了喷嘴与磁极表面之间的气隙总磁阻，从而决定了电枢产生的磁通量梯度。为了减小总磁阻，增大磁通密度，气隙G1和G2应做的足够小。零电流下的典型气隙大小为G1：0.005英寸，G2：0.001英寸。
I/P电机设计方案(图1所示)的一个改进型设计见图4.就象图1的具体实施例那样，图4的I/P电机50也包括圆柱型的上下两半外壳52，54，其以同样的磁材料制成，磁极56，58相对。外壳上带有一固定的上磁极片56，其磁极表面56a与较小一些的下半磁极表面58a及喷嘴插头60都保持一定的距离。上磁极表面56a比下磁极表面58a面积稍大一些。一个线轴缠绕的绕圈62如图所示的围绕着上磁极56，一扁平的弹簧64被夹在上下两半外壳之间，带有一盘状的磁性材料做成的电枢66，弹簧悬在上下两磁极表面56a与58a之间的气隙中，且与它们平行。在图4中，与图1不同，电枢安装在扁平的弹簧之下。喷嘴瓣阀气隙所限定的喷嘴气流产生气压差，对气动恒定气流前置放大器进行控制，使得输出压力与供给压力无关。气流回路的入口，节流阀，出口与喷嘴60相连接(图4中未标出)。
除了图1所示的具体实例中的基本元件外，图4的I/P电机50不包括一个小型永磁体70，最好由一种稀土磁体制成，被定位在开口72中，位于上磁极表面56a的中央，非磁性材料杆74的末端，它可被压入或拧入上半磁极56中(如图4所示)。磁体70可通过轴向定位杆拉近或推离电枢66。
图1的一个特点是，它要求极紧公差以获得瓣阀喷嘴系统的正确运行点。另外，在低电流下，电枢上的受力由于平方关系而比较低。如图5所示，点划线代表了电流与电枢66受力的函数关系。当电流接近零时，受力变化量非常小。而且，当电流值由正经零点变负时，由于平方关系，故受力值又朝正方向增长。在图4中的改进方案，与磁极片一体的永磁体产生了附加磁场，该附加磁场一部分作用于(1)磁体70和上磁极片56的外层软铁中，另一部分穿过(2)上下磁极表面56a和58a之间的气隙。由于磁极表面气隙中的永磁体产生了附加恒定强度的静磁场，结果在电枢上产生的净磁力主要由以下两个磁场产生，一个是永磁体，另一个是电流产生的磁场。电流与电枢上受力的关系式变得更加线性，受力值明显提高，尤其是在极低电流下，而且受力方向变得与电流方向相关，(如图5所示)与代表无永磁体的电流/受力关系的点划曲线相比较。
在无永磁体时，受力表达式为：
    F≈Фe2
其中Фe为电流产生的磁通
    Фe≈nI
当加入永磁体后：
F≈(Фe+Фs)2＝Фs 2+2ФsФe+Фe 2
其中
    Фe≈nI
而且Фs≈永磁体所产生的磁通
F≈Фs 2+2nIФs+(nI)2
第一项F≈Фe 2与将平板吸至上磁极片而且对操作力无贡献的力方向相反。第二项FIG.≈2nIФs产生与电流值成线性比例的作用力和气隙中的静态磁场，并且与电流方向有关(见图5)。
第三项FIG.≈(nI)2是构成力的一平方分项，且与电流的方向无关。实际上，这一线性偏移量是由喷嘴瓣阀的特性造成的。
图4所采用的设计的一个典型实例是I/P电机80，见图6。上下圆柱形外壳82和84互相匹配地夹着一个扁平弹簧86，该弹簧载着一个盘状电枢88，该电枢位于不同尺寸的上下磁极表面之间。一个中空的整块中心柱82a从上半外壳82的顶部伸出，载有线圈绕组90。柱82a的下端形成了磁极表面的外部82b。可调磁极元件92被压入或者拧入圆柱82a内部。压力或者拧入磁极元件92后，它可被圆柱82a带动。可调磁极元件92压入或以螺纹容纳在柱82a内部。压或旋转磁极元件92，可使之进入到柱82a内。稀土永磁体94被安装在磁极元件92的末端表面。因此，磁体94的轴向位置可独立地确定。如图4中的实例所示，非磁性喷嘴插头98同轴的安置在下半磁极片100的上部。
在图4的I/P电机中，图5中也一样，永磁体在上下磁极表面之间的气隙处产生的磁场强度与上下磁极片之间的磁场强度的比值可以通过调节磁体94的轴向位置来改变。扁平弹簧86被预拉伸，因此在无永磁体作用的情况下，喷嘴被封闭，如图6所示。喷嘴的上表面以及下半外壳的边缘处于同一水平面上，软铁片的厚度与弹簧的强度一起决定了预拉伸力。采用上述装置，通过驱动磁体94将电枢拉离喷嘴可很轻易地调节瓣阀喷嘴系统的运行点。电枢66被拉开的该点可通过气压精确检测出，因此运行点能够被校准。该特征在无永磁体情况下明显降低了所要求的公差。
图6所示的I/P电机具有其它的几处改进的地方。上下半外壳以及它们整块的磁极片都最好由铬镍合金制成。铬镍合金比钢有更好的磁性特性。而且外壳与不锈钢类似，具有很好的防腐蚀性能。铬镍钢外壳通过金属注模法制造，其中金属颗粒悬浮在聚合物中然后燃烧。这将导致金属熔化，聚合物结合入其中。
为了达到铬镍合金体的热胀特性的极低高温系数，弹簧由耐蚀镍基合金B制成。
其他的变型都落入权利要求的范围。

Claims (12)

1.一种电-气马达，包括
一条磁路；
两个带有不同尺寸的磁极表面的相对磁极片，在所述磁路该两磁极片限定了一条气隙；
软磁电枢，弹性地悬浮在气隙中；
上述的磁极片之一带有一伸出磁极表面的喷嘴，可与加压气流供给相通，其布置使得从喷嘴中喷出的气流推动上述电枢；
另一个磁极片在磁极表面附近带有一轴向可调节的磁性元件；
上述磁极片之一环绕有线圈绕组，可为磁路补充能量，因此可驱动电枢靠近或远离喷嘴。
2.如权利要求1所述的马达，其特征在于，所述轴向可调的磁性元件是一永磁体。
3.如权利要求2所述的马达，其特征在于，永磁体安装在磁极片之一的表面。
4.如权利要求3所述的马达，其特征在于，线圈绕组环绕着带永磁体的磁极片。
5.如权利要求4所述的马达，其特征在于，支承磁体的磁体托架被可调地装纳在磁极片内。
6.一种电-气马达，包括一个由电流来补充能量的磁路；一个弹性地悬浮在回路中两个不同尺寸磁极表面之间气隙内的软磁电枢；一个磁极表面带有一气流喷嘴，可将加压流体喷向电枢，其特征在于，改进包括：
上述磁路的外壳由铬镍合金制成。
7.如权利要求6所述的马达，还包括一个安装在上述外壳上的载有上述电枢的扁平弹簧，上述弹簧由热胀系数与该外壳材料相匹配的材料构成。
8.如权利要求6所述的马达，其特征在于所述弹簧由耐蚀镍基合金B构成。
9.权利要求3所述的电-气马达，还包括用于上述预拉伸电枢的弹性悬架，以迫使上述电枢尽可能靠近上述喷嘴。
10.如权利要求10所述的马达，所述改进之处还包括：安装在其中的一个磁极表面上的永磁体。
11.如权利要求11所述的马达，所述改进之处还在于：
一个载有上述磁体的可调支撑元件，使得磁体与电枢之间的距离可以调节。
12.校准电-气马达运行点的方法，所述马达带有：由电流来补充能量的磁路；一个在磁路中不同尺寸的磁极表面之间的气隙中弹性悬浮的软磁电枢；一个磁极表面上带有喷嘴，可将加压流体喷向电枢，包括：
在另一个磁极表面增加一个可移动的永磁体；以及
预拉伸电枢用的悬架，因此电枢的初始位置可以尽量地靠近喷嘴；
移动磁体直至电枢被首次从喷嘴处移开。
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