CN1518751A - 电磁阀驱动器封装 - Google Patents

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D·拉马卡
李
K·W·李
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Abstract

本发明提供改进的螺线管(10)，它具有带有整体的端帽和套筒(64)的完全密闭的磁轭(60)。提供带有套筒(78)的第二个单独的整体的端帽(66)来完成磁轭(60)。磁轭/线圈组件(60，40)通过其熔化温度高于线轴(42)的熔化温度的液晶聚合物进行封装，提供它们之间的良好的结合。

Description

电磁阀驱动器封装
相关专利申请的相互引用
本专利申请主张2001年4月19日提交的、美国临时专利申请No.60/284,821的权益。
                  发明背景
发明领域
本发明总的涉及用于驱动阀和其他流量控制设备的电磁螺线管，以及更具体地，涉及改进的螺线管结构、螺线管控制和制造方法。
相关技术描述
螺线管通常被描述为具有典型的圆柱形状的可供能的线圈和位于线圈内并沿着线圈轴线设置的电枢的电磁铁。在结构上，大多数螺线管是通过把电导线围绕非磁性的线轴或线圈架螺旋地绕制而被制成的。磁轭或外套全部地或部分地包围线圈，用来限定磁路和保护线圈。具有套筒的单独的端帽典型地被使用于磁轭，以帮助磁场定形。非导电的封装(诸如塑料，环氧树脂等等)通常包围磁轭和线圈，而同时允许线圈引线伸出以及允许电枢与线圈互相交换位置。
当电流加到线圈时，根据线圈、端帽和磁轭的特性数据确定磁通量路径，使得电枢沿着线圈轴线运动。由供能螺线管产生的电枢力取决于线圈、端帽和磁轭的特性和结构以及加到线圈的电流的大小和本性。
历史上，螺线管的设计和制造试图解决各种各样的关心的问题，诸如耐久性；可靠性；有竞争力的价格；便于制造(例如，最小数目的零件)；以及与各种政府标准的一致性。典型地，螺线管制造商必须提供约400种不同的螺线管型号来满足市场的需要。
授权给Automatic Switch Company(自动开关公司)的美国专利No.4,679,767是螺线管的一个例子，其中为了尽力给予螺线管耐久性和可靠性，线圈完全由热固性树脂封装，且磁轭由热塑性树脂封装。
类似地，也授权给Automatic Switch Company(自动开关公司)的美国专利No.4,683,454是螺线管的一个例子，其中各种各样的电连接器模块被附着到螺线管线圈引线。每个模块的本体由弹性材料制成，这样当模块被紧密地附着到线圈封装时，形成完全包围线圈末端的密封。
                    发明概要
本发明的一个方面提供螺线管驱动器，它包括非磁性线轴、线圈、磁轭和外套。非磁性线轴具有第一和第二法兰盘；被布置在法兰盘之间的外部圆柱壁；以及由被布置在法兰盘之间的内部圆柱壁限定的中心开孔。电导线的线圈围绕线轴的外部圆柱壁螺旋地绕制。导磁材料的磁轭包括本体和第一端帽。本体完全包住线圈的外部圆柱面。第一端帽整体地与本体相连接，并具有一延伸到线轴的中心开孔中的一个末端的套筒。导磁材料的第二端帽被附着到本体，并具有一延伸到线轴的中心开孔的另一个末端中的套筒。外套包住磁轭和线轴，产生气密封接的螺线管。
本发明的另一个方面提供螺线管驱动器，包括磁轭、螺线管线圈、第一端帽、第二端帽和外套。磁轭由具有第一和第二末端的导磁材料组成。电磁螺线管线圈被放置在磁轭中，并具有一线轴，线轴周围具有螺旋绕制的电导线构成的线圈。导磁材料的第一端帽被附着到磁轭的第一末端。导磁材料的第二端帽被附着到磁轭的第二末端。外套由第一液晶聚合物组成，它包住磁轭和螺线管线圈，并通过注塑处理形成与线轴的结合。
本发明的再一个方面提供制造螺线管的方法。该方法包括从磁性的硬或软的材料的薄片形成基本上平面的本体；形成与平面本体整体地连接的第一端帽；形成通过在第一端帽中限定的中心开孔的第一整体套筒；形成具有第二整体套筒的第二端帽；把基本上平面的本体成形为基本上圆柱形的磁轭；以及弯曲第一端帽，以覆盖在圆柱形磁轭上的相邻的开孔，以使得第一整体套筒位于圆柱形磁轭内。该方法还包括把电磁螺线管线圈放置在圆柱形磁轭内，以使得第一端帽上的第一整体套筒延伸到线圈的中心孔；用第二端帽覆盖圆柱形磁轭的其余的开孔，以使得第二整体套筒延伸到线圈的中心孔；以及用保护层封装磁轭/线圈组件。
本发明的一个方面提供用于操作螺线管的控制电路。控制电路包括电压整流电路、供电电源电路和逻辑电路。电压整流电路用来整流从包含以下电压范围的组中选择的电压：约100到240V AC(伏，交流)；约100到240V DC(伏，直流)；约24到100V AC；约24到100VDC；和约12到24V DC。电源电路被耦合到电压整流电路。电源电路用来为螺线管提供起动电流和保持电流。保持电流小于和正比于起动电流。逻辑电路用来在约50到65毫秒的每个接通/关断周期时间的开始部分内控制起动电流的应用。逻辑电路用来在每个接通/关断周期时间的其余部分内控制保持电流的应用。
以上的概要并不打算概述每个潜在的实施例或这里公开的本发明的每个方面，而是仅仅概述所附的属权利要求书。
                  附图简述
以下的附图结合所作的说明示出本发明的优选的或其他的实施例。
图1是按照本发明的螺线管的示图。
图2是用于本发明的线轴的示图。
图3是用于本发明的线圈的截面图。
图4，5和6是用于本发明的磁轭的图，包括本体、带有套筒的整体的端帽、带有套筒的单独的端帽。
图7是用于本发明的磁轭的示图，包括具有两个带套筒的整体的端帽的本体。
图8是按照本发明的带有单独的端帽和线圈的磁轭的分解图。
图9是示出根据本发明的优选控制电路的电流供应特性的曲线图。
图10a-10c是用于本发明的控制电路的电路的示意图。
图11示出按照本发明的螺线管。
这些附图和编写的说明不打算以任何方式限制本发明的广度或范围，提供它们是用来通过参照本发明的特定的实施例(如由35USC§112所需要的)向给本领域技术人员说明本发明。
               发明详细描述
图1示出本发明的改进的螺线管10的优选的但不是排他的实施例。图1所示的改进的螺线管10具有外部封装12，它保护螺线管10的内部部件，并提供对于螺线管的气密密封。螺线管10的中心开孔14被示出，而位于中心开孔处的电枢没有示出。也示出了从封装12引出的接地引线16和线圈引线18。还示出了螺纹连接20。
图2和3更详细地示出本发明的新的和改进的线圈40。线圈40包括线轴42、围绕线轴42螺旋地绕制的电导线44以及一对末端触点46。
具体地参照图2，本发明的线轴优选地由Dupont的Zenite液晶聚合物(等级2130)在注塑操作过程中制成。线轴42包括上法兰盘48和下法兰盘50，二者由圆管部分52分隔和连接。圆管部分52的内表面形成螺线管10的中心开孔14的一部分。线轴42的上法兰盘48具有末端部分54，它与末端接点46连接在一起。本发明的线轴42也具有一个或多个对准接片56，用于使得螺线管10内的线圈40正确地定向。在图2中，对准接片56被示出为在上法兰盘48上，处于与末端部分54相对的位置。
现在参照图3，电导线44优选地是连续的电线。电导线44螺旋围绕在上法兰盘48与下法兰盘50之间的线轴42的管状部分52上。电导线44的本性和特性以及电导线44的螺旋绕组的圈数是留给螺线管设计领域技术人员的设计选择。
在线圈40的本实施例中，电导线44的外部螺旋线匝基本上与线轴42的上法兰盘48与下法兰盘50的外部边缘共面，如图3所示。线轴42也具有被形成在管状部分52上的靠近上法兰盘48和下法兰盘50的凹部58。正如下面更详细地解释的，这些凹部58接纳磁轭端帽的套筒部分。
现在转到图4，5和6，图上示出了用于本发明的磁轭60的优选的、但不排他的实施例。在这个实施例中，磁轭60包括本体62、带有套筒的整体的端帽64和带有套筒的单独的端帽66。磁轭60优选地由通过应力消除/退火处理过程进行热处理的型号304不锈钢制成。替换地，磁轭60可以由镀锌的ASTM型号A60冷轧钢材制成。在本发明的这个实施例中，除已被挤压成约0.9毫米(0.040英寸)的厚度的套筒78外，磁轭材料的厚度优选地是1.9毫米(0.0747英寸)厚。如图4和6所示，磁轭60被构建成使得本体62可被形成为圆柱或准圆柱结构，以便完全地包住线圈40。本体62在被形成为如图6所示的准圆柱形状时，所示的本体62为具有鸠尾榫68，它被用来固定本体62的两个末端。
图4上也示出了具有套筒的整体的端帽64，它包括中心开孔70。端帽64的中心开孔70被设计成与线圈40的中心开孔14对准。整体的端帽64也具有凹槽72，它在磁轭60被形成为准圆柱形状时与本体62上的接片74相配合。接片74可以以桩撑住凹槽72，以保持整体的端帽64与本体62紧密的配合。在端帽64中的对准缝隙76可被用来通过与对准接片56相接合而使得线圈40定向。虽然图4上未示出，但整体的端帽64和单独的端帽66具有整体的套筒78，它被示于图5。每个套筒78与线轴42的凹部58相接合，使得供能的螺线管的磁场有力地成形。图5所示的单独的端帽66基本上类似于整体的端帽64，它包括与本体62上的接片82相配合的凹槽80。单独的端帽66也可包括对准缝隙84。
回过来参照图4，磁轭60也包括被形成在本体62中的线圈窗口86。线圈窗口86允许线圈40的末端触点46和线圈引线18从磁轭60的保护层引出，而不接触磁轭本体62或任一个端帽64或66。
如图6所示，带有整体的端帽64的本体部分62可被形成为准圆柱形状，其中整体的端帽被弯曲成以位于圆柱内部的端帽套筒78覆盖准圆柱的一端。单独的端帽66可被布置在所形成的磁轭上，以及在适当的位置立桩(stake)，以形成结构上坚固的完全封闭的磁轭60。
从这里公开内容获益的本领域技术人员现在将会知道，本发明的磁轭60易于制造，因为它可以由单片金属片形成或被冲压而能提供最想要的磁场特性。例如，磁轭60的完全闭合的本体62完全包住线圈40，它与现有技术的C形状的或开放的磁轭相比较，提供更优越的磁通量特性。而且，带有套筒的整体的端帽64和带有套筒的单独的端帽66消除现有技术中对于带有套筒的单独的端帽的需要，由此减少零件的数目并使得在磁轭与线圈之间的气隙损耗最小化，这些气隙对于螺线管10的磁性能是决定性的。而且，本发明的磁轭允许螺线管设计者选择现有的气隙的任何对准，诸如对准缝隙76和84，以使得磁轭的磁特性最大化或对其精细调节。
现在转到图7，图上示出本发明的另一个实施例，其中两个端帽与磁轭60的本体62被整体地形成。第二整体的端帽90被示出为从本体62引出，它处在形成第一整体的端帽64的一侧的相反一侧。在本实施例中，第二整体的端帽90具有凹槽92，它与本体62上的接片94相接合，用于紧密地固定第二整体的端帽。第二整体的端帽90也被示出为具有对准缝隙96，它在磁轭被形成为准圆柱形状时与第一整体的端帽64的对准缝隙76的方向相反。替换地，虚线表示槽可以在另一侧，这样，它可以与第一整体的端帽64的对准缝隙76在同一个方向。如上所述，这样的气隙的存在和对准留给设计者考虑，以使得所涉及的特定的螺线管的磁特性最大化或对其精细调节。
图8是由带有在适当的位置立桩的整体的端帽64的准圆柱形状磁轭本体62形成的螺线管10的内部的部件的分解图。在螺线管10制造期间，本体62可被自动地形成为准圆柱形状，并带有套筒的整体的端帽64可以被弯曲到位置和以桩支撑。线圈40可以竖直地放落到磁轭60的里面，这样，在端帽64上的套筒78与凹部58相接合，且任何对准接片(诸如对准接片56)可以与端帽64上的任何对准缝隙(诸如对准缝隙76)相配合。在使用单独的端帽66的实施例中，端帽被布置在线圈40的顶部，这样，它的套筒78与凹部58相接合，以形成基本上恒定的内部尺寸的中心开孔14。接片82被立桩，把单独的端帽66牢固地固定到本体62。如图8所示，线圈引线18被导电连接到线圈40上的末端触点46。螺线管连接头18可以取几种已知的形式的任何一种形式，诸如出引脚、DIN或薄片。图8示出具有两个刀片形线圈引线18和一个刀片形接地引线16的通常的DIN连接头。虽然被选择为用于示出本发明的实施例利用鸠尾榫和凹槽接片来形成磁轭，但从本揭示内容获益的本领域技术人员现在将会知道，可以使用形成磁轭的其他的方法，诸如，例如焊接或钎焊。
一旦线圈40被装载到形成的磁轭60时，组件就可被封装，以便密封和保护螺线管。在本发明中，封装12最好是另一种DuPont液晶聚合物，它具有比起线轴42的熔点更高的熔点。这个熔点差允许在封装12与线轴42之间形成结合。
在优选的注塑封装过程期间，在迫使封装12材料与磁轭60和线圈40接触时，封装12材料冷却。本申请人发现，如果线轴42具有与封装12相同的或相似的熔点，则在封装12与线圈40之间不能总是形成良好的粘结结合。本申请人发现，通过用具有比封装12的熔点低的熔点的材料来构建线轴42，线轴42的暴露的部分将形成与封装12的良好的结合。根据本申请人的经验，大约10°F(华式度)的熔点差值可能是适当的。回过来参照图4，6和7，提供开孔98以允许封装物12更容易填充在线圈40与磁轭60之间的空间。
如前所述，螺线管制造商必须提供大约400个不同的螺线管型号以满足市场要求。这么大数目的型号是由于对于覆盖约24V AC(伏，交流)到约240V AC的工作范围的AC螺线管和覆盖约12V DC(伏，直流)到约240V DC的工作范围的DC螺线管的需要而造成的。本发明通过基于专用集成电路(ASIC)的改进的控制电路，把覆盖这些工作范围所需要的螺线管型号的数目减小到3。本发明提供如前所述的第一螺线管型号，它可工作在约50或60Hz、在约85V DC/V AC到约264V DC/V AC。本发明提供如前所述的第二螺线管型号，它可工作在约50或60Hz、在约20V DC/V AC到约109V DC/V AC。本发明也提供如前所述的第三螺线管型号，它可工作在约10V DC到约26V DC。因此，本发明提供三种基本的改进螺线管型号，它们覆盖市场通常需要的螺线管范围。
用于这三个型号螺线管的控制电路，每个基本上被描述为具有两个基本模式的开关模式电流调节器：起动模式和保持模式。起动模式出现在每个接通/关断周期的头50-65毫秒中，优选地在64毫秒，控制电路提供供能的电流Iinrush，以驱动螺线管10。Iinrush的上升时间取决于线圈的电阻和电感。在起动时间段过去后，保持模式开始。控制电路提供保持电流Ihold，它小于和正比于Iinrush电流，并由起动参考电压V1和保持参考电压V2之间的比值所固定。控制电路基本上是恒定功率控制，其中在起动模式期间施加约20瓦，在保持模式期间施加约1.2瓦。本申请人发现，优选实施例的起动和保持模式的使用允许本发明的螺线管与现有的类似的行程的螺线管相比较，以更低的总功率达到全部5mm的驱动器行程。
控制电路也包括功率整流电路，用于把所有进入的功率电源变换成直流。通过使用直流来驱动螺线管，与交变电流有关的任何交流杂声或噪声如果未被消除的话也被大大地减小。而且，整流电路减小控制电路以及从而是螺线管10对于频率变化的敏感度。另外，本发明的控制电路允许螺线管10在上面描述的宽的电压范围以及在AC或DC电压下工作。
控制电路包括公共时钟和逻辑电路。逻辑电路建立起动和保持模式的顺序和时序。另外，提供控制引脚以允许螺线管10由总线信号进行控制，而不是通过仅仅施加功率进行控制。在总线控制模式下，控制引脚启动和禁止用于外部功率MOS的栅极控制输出。MOS晶体管优选地按照供电电压范围和流过螺线管的电流被选择。控制引脚用来驱动和关断螺线管。当控制线接地时，螺线管(正如传统的那样)通过施加功率到控制电路而被控制。当控制线不接地时，功率被连续地施加到控制电路，且总线系统通过控制引脚来操纵螺线管。
在使用时，控制电路把施加到线圈40的平均电流限制在Iinrush。控制电路在功率加到螺线管10以后的大约头50-65毫秒内保持电流在Iinrush值。在施加了头50-65毫秒的Iinrush电流后，控制电路减小平均线圈电流到所述Ihold值。在控制电路200的优选实施例中，Ihold大约是Iinrush值的25％。当功率与控制电路断开或当把不工作信号加到控制引脚时，螺线管10被禁止工作。图9示出本发明控制电路的Iinrush和Iholding曲线图。由控制电路提供的保持功率被限制为约1.2瓦。由于温度是功率的函数，加到控制电路和螺线管的功率越多，温度增加越大。表面温度成为世界各个市场上越来越关心的问题。例如，欧洲低压指导(European Low Voltage Directive)(EN61010)要求在60℃环境温度下螺线管表面温度不能超过80℃。如图9所示，曲线下的总面积是在一个周期期间的总功率。由于本发明使用固定的Iinrush时间，Ihold电流的持续时间取决于周期时间。这意味着周期时间越长，Iinrush与Ihold之间的比值越大，换句话说，贡献给Ihold的功率随周期时间增加而增加。因而，施加到螺线管的总功率增加，这也使得表面温度增加。本发明允许第一和第二型号具有多到每分钟60个周期，而不超过80℃表面温度限制。本发明也允许第三型号具有多到每分钟20个周期，而不超过80℃表面温度限制。
图10a示出用于上述的第一螺线管型号的优选的控制电路200，它能够处理在包括约100-240V DC/V AC之间的电压在内的输入电压。图10b示出用于上述的第二螺线管型号的优选的控制电路250，它能够处理在约24-99V DC/V AC之间的电压在内的输入电压。图10c示出用于上述的第三螺线管型号的优选的控制电路300，它能够处理在约12-23V DC之间的输入电压。
按照本发明，控制电路200、250或300之一被连接到线圈引线18和接地引线16，连接到电源(未示出)和可任选地连接到控制总线(未示出)。控制电路可以连同螺线管10一起由封装物12封装，或如图11所示，控制电路可以被放置在保护外壳220内，它被牢固地附着到螺线管10。图11也示出电源引线222。
本发明的优选实施例和其他实施例的上述说明不打算限制由本申请人构想的本发明的广度、范围或可应用性。作为对公开这里包含的发明构思的交换，本申请人希望拥有由所附属权利要求书具有的所有专利权利。

Claims (21)

1.一种螺线管驱动器，包括：
非磁性线轴，具有第一和第二法兰盘，被布置在法兰盘之间的外部的圆柱壁，以及由被布置在法兰盘之间的外部的圆柱壁限定的中心开孔；
线圈，由电导线围绕线轴的外部圆柱壁螺旋地绕制而成；
磁轭，由导磁材料制成，它包括：
完全包住线圈的外部圆柱面的本体，以及
第一端帽，它与本体整体地连接并具有套筒，该套筒延伸到线轴的中心开孔的一个末端内；
第二端帽，由导磁材料制成，被附着到本体并具有延伸到线轴的中心开孔的另一个末端的套筒；以及
外套，其封装磁轭和线轴以产生气密封接的螺线管。
2.如权利要求1所述的螺线管驱动器，其中磁轭的本体是由导磁材料的基本上平的薄片弯曲而成以形成基本上圆柱形状的本体。
3.如权利要求2所述的螺线管驱动器，其中与本体整体地连接的第一端帽被弯曲，以覆盖基本上圆柱形状的本体的相邻的开孔。
4.如权利要求1所述的螺线管驱动器，其中第二端帽与本体整体地连接。
5.如权利要求1所述的螺线管驱动器，其中线轴的中心开孔包括在其中限定的第一和第二凹部，以分别接纳第一和第二套筒。
6.如权利要求1所述的螺线管驱动器，其中外套包括第一液晶聚合物，它通过注塑过程与线轴和磁轭形成结合。
7.如权利要求6所述的螺线管驱动器，其中线轴包括第二液晶聚合物。
8.如权利要求7所述的螺线管驱动器，其中外套的第一液晶聚合物具有第一熔点，它高于线轴的第二液晶聚合物的第二熔点。
9.如权利要求8所述的螺线管驱动器，其中外套的第一熔点比线轴的第二熔点约高10°F。
10.一种螺线管驱动器，包括：
磁轭，它由导磁材料制成，具有第一和第二末端；
电磁螺线管线圈，它被放置在磁轭中并具有线轴，该线轴上有螺旋地绕制的电导线；
第一端帽，它由导磁材料制成，被附着到磁轭的第一末端；
第二端帽，它由导磁材料制成，被附着到磁轭的第二末端；以及
外套，由第一液晶聚合物组成，封装着磁轭和螺线管线圈，并与由第二液晶聚合物组成的线轴相结合。
11.如权利要求10所述的螺线管驱动器，其中至少一个第一或第二端帽被整体地连接到磁轭。
12.如权利要求11所述的螺线管驱动器，其中第一和第二端帽每个包括被放置在线轴的中心开孔的一端内的套筒。
13.如权利要求10所述的螺线管驱动器，其中外套的第一液晶聚合物具有第一熔点，它高于线轴的第二液晶聚合物的第二熔点。
14.如权利要求13所述的螺线管驱动器，其中外套的第一熔点比线轴的第二熔点约高10°F。
15.一种制造螺线管的方法，包括：
由磁性的硬或软的材料的薄片形成基本上平面的本体；
形成与平面本体整体地连接的第一端帽；
形成通过在第一端帽上限定的中心开孔的第一整体套筒；
形成具有第二整体套筒的第二端帽；
把基本上平面的本体成形为基本上圆柱形的磁轭；
弯曲第一端帽，以覆盖在圆柱形磁轭上相邻的开孔，以使得第一整体套筒位于圆柱形磁轭内；
把电磁螺线管线圈放置在圆柱形磁轭内，使得在第一端帽上的第一整体套筒延伸到线圈的中心孔中；
用第二端帽覆盖圆柱形磁轭的其余开孔，使得第二整体套筒延伸到线圈的中心孔内；以及
用保护层封装磁轭/线圈组件。
16.如权利要求15所述的方法，其中形成第二端帽包括形成与平面的本体整体地连接的第二端帽。
17.如权利要求15所述的方法，其中用保护层封装磁轭/线圈组件包括注塑第一液晶聚合物，以封装磁轭/线圈组件。
18.如权利要求17所述的方法，其中注塑第一液晶聚合物以封装磁轭/线圈组件包括把保护层的第一液晶聚合物与由第二液晶聚合物组成的线轴相结合。
19.如权利要求18所述的方法，其中把保护层的第一液晶聚合物与由第二液晶聚合物组成的线轴相结合包括提供具有第一熔点的第一液晶聚合物，第一熔点高于第二液晶聚合物的第二熔点。
20.如权利要求19所述的方法，其中提供高于第二熔点的第一熔点包括提供具有比起第二液晶聚合物的第二熔点约高10°F的第一熔点的第一液晶聚合物。
21.一种螺线管控制电路，包括：
电压整流电路，用来整流从包含以下的电压范围的组中选择的电压：约100到240V AC；约100到240V DC；约24到100V AC；约24到100V DC；和约12到24V DC；
电源电路，它被耦合到电压整流电路，并用来提供在约50到65毫秒内的约20瓦的起动电流和在预定的接通/关断周期时间内的基本上恒定的约1.2瓦的保持电流，保持电流是起动电流的约25％；以及
逻辑电路，用来在每个接通/关断周期开始时控制起动电流的施加和在起动周期结尾时控制保持电流的施加；逻辑电路也具有控制引脚，用于根据电压整流电路处的电压或单独的驱动信号的存在来选择控制。
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