CN1661243A - 有限角度旋转式电液伺服阀 - Google Patents

Abstract

本发明属于液压伺服控制技术，涉及直接驱动旋转式伺服阀的改进。它由驱动电机1、密封圈2、旋转阀芯3、端盖4、密封圈5、阀套6和阀体7组成，其特征在于，驱动电机1采用内置有角位移传感器的有限角度无刷直流伺服电机；阀套6上的P口和T口都是一个横置的鼓形。本发明阀芯在整个工作范围内阀口开度都连续，而且开口面积与旋转阀芯转动角度在工作范围内严格成正比，线性度好，增益恒定。

Description

有限角度旋转式电液伺服阀

技术领域

本发明属于液压伺服控制技术，涉及直接驱动旋转式伺服阀的改进。

背景技术

目前，电液伺服控制系统应用领域的越来越宽，对电液伺服阀提出了某些特殊的技术要求：高频响，高可靠性，抗油液污染、结构简单、使用和维护方便以及成本低廉等，而传统的电液伺服阀已经难以达到这些要求，因此研制开发新型的电液伺服阀成为流体传动控制领域发展的一大难题。随着基于新型功能材料的驱动器的研制开发，机械制造、设计技术和微电子技术的发展，许多由基于新型功能材料的驱动器直接驱动的电液伺服阀和由微特马达直接驱动的电液伺服阀便应运而生。它们的研制大大丰富了伺服阀的应用范围，满足了某些特殊领域的技术要求。图3是一种直接驱动电液伺服阀的原理图，具体请参见文献(1)张光琼，单级转轴式旋转电液伺服阀，机床与液压，1991(2)：34-38。(2)刘长青，太军君，新型二级电液数字伺服阀，水力发电，2003(2)：49-51。上述文献(1)中对几种电——机械转换器进行了对比，认为微型直流伺服电机其转速通常在10000r/min以上，冲量矩/体积小，频响低，使用时必须配以高速比的减速器，产生死区；步进电机的步距角不可能太小；直流力矩电机刚度低，抗干扰能力差而且力矩波动大。因此，文献(1)设计了极化式双向旋转比例电磁铁作为电——机械转换器。文献(2)中也提出一种步进电机+转阀的数字伺服阀结构，其结构示意图如图4所示。其缺点是：由于步进电机每一步只能转动固定的角度，且步距角不可能太小，使转阀阀口开度不连续，影响控制效果。

发明内容

本发明的目的是：本发明提供一种结构简单、流量连续、抗污染能力强、可靠性高、控制灵活、制造和装配方便的直接驱动电液伺服阀。

本发明的技术方案是：一种有限角度旋转式电液伺服阀，由驱动电机1、密封圈2、阀芯3、端盖4、密封圈5、阀套6和阀体7组成，阀体7的上端面有一个圆柱形非贯通内腔，在该内腔中有一个管状阀套6，与该内腔紧配合，阀套6的高度与该内腔的深度相同，在阀套6上有四个沿圆周均布的、开口形状相同的异形阀口，其中两个对称于圆心的阀口是P口，另外两个对称于圆心的阀口是T口，在阀套6上每相邻的P口和T口之间有一个圆形通孔，共有四个圆形通孔，其中两个对称于圆心的通孔是A孔，另外两个对称于圆心的通孔是B孔，A孔的轴线垂直于B孔轴线，P口中心线垂直于T口中心线，A孔的轴线与P口的中心线成45度角，在阀体7的下端面上有P口接口，该接口通过阀体7内部的通路分别与阀套6的两个P口连通，在阀体7的下端面上有T口接口，该接口通过阀体7内部的通路分别与阀套6的两个T口连通，在阀体7的下端面上有A孔接口，该接口通过阀体7内部的通路分别与阀套6的两个A孔连通，在阀体7的下端面上有B孔接口，该接口通过阀体7内部的通路分别与阀套6的两个B孔连通；端盖4通过螺钉与阀体7的上端面牢固连接，在端盖4和阀体7的上端面之间有密封圈5，在端盖4与管状阀套6对应的位置有一个轴孔，该轴孔与管状阀套6同轴；在管状阀套6的内腔中有一个阀芯3，它由上段直径小的阀芯轴和下段直径大的阀芯体组成，阀芯轴插入阀盖4的轴孔内，在阀芯轴与轴孔之间有密封圈2，阀芯体的上段和下段是完整的圆周面，其中段有沿圆周均匀分布的四个凹槽，将中段圆周分割成四段隔开的阀瓣，每个阀瓣的宽度相同，并与阀套6P口和T口的开口宽度相适应，阀芯体的圆周面与阀套6的内圆柱面滑动配合；驱动电机1的壳体通过螺钉与阀盖4连接，驱动电机1的驱动轴与阀芯3的阀芯轴连接，其特征在于，

(1)驱动电机1采用内置有角位移传感器的有限角度无刷直流伺服电机；

(2)阀套6上的P口和T口都是如下形状：是一个横置的鼓形，两侧的垂直边为直线，上边和下边为对称的向外凸起的圆滑曲线，设h(θ)为P口和T口的垂直高度，则它可用下式表达： $h\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{h_0}{\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}},$ 式中，θ是阀芯3的转动角度，h₀是θ为零时异形油口的初始高度。

本发明的优点是：本发明由内置有角位移传感器的有限角度无刷直流伺服电机直接驱动旋转阀芯的结构，使旋转阀芯在整个工作范围内阀口开度都连续。而且阀口采用异形口，使其开口面积与旋转阀芯转动角度在工作范围内严格成正比，不存在θ≈sinθ的近似误差，控制比较简单。此外，本发明结构简单、流量连续、抗污染能力强、可靠性高、控制灵活、制造和装配方便，线性度好，增益恒定。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，图中阀体部分是中心垂直剖视图。

图2是图1的左侧视图，图中阀体部分是中心垂直剖视图。

图3是阀芯和阀套的水平剖视图。

图4是一种现有的直接驱动伺服阀的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。参见图1、2、3，本发明有限角度旋转式电液伺服阀，由驱动电机1、密封圈2、阀芯3、端盖4、密封圈5、阀套6和阀体7组成。阀体7的上端面有一个圆柱形非贯通内腔，在该内腔中有一个管状阀套6，与该内腔紧配合，阀套6的高度与该内腔的深度相同。在阀套6上有四个沿圆周均布的、开口形状相同的异形阀口，其中两个对称于圆心的阀口是P口，另外两个对称于圆心的阀口是T口。其中P口是压力油口，T口是回油口。在阀套6上每相邻的P口和T口之间有一个圆形通孔，共有四个圆形通孔，其中两个对称于圆心的通孔是A孔，另外两个对称于圆心的通孔是B孔。A孔和B孔起通油作用。A孔的轴线垂直于B孔轴线，P口中心线垂直于T口中心线，A孔的轴线与P口的中心线成45度角。在阀体7的下端面上有P口接口，该接口通过阀体7内部的通路分别与阀套6的两个P口连通；在阀体7的下端面上有T口接口，该接口通过阀体7内部的通路分别与阀套6的两个T口连通；在阀体7的下端面上有A孔接口，该接口通过阀体7内部的通路分别与阀套6的两个A孔连通；在阀体7的下端面上有B孔接口，该接口通过阀体7内部的通路分别与阀套6的两个B孔连通。端盖4通过螺钉与阀体7的上端面牢固连接，在端盖4和阀体7的上端面之间有密封圈5，将结合面的间隙密封。在端盖4与管状阀套6对应的位置有一个轴孔，该轴孔与管状阀套6同轴。在管状阀套6的内腔中有一个阀芯3，它由上段直径小的阀芯轴和下段直径大的阀芯体组成，阀芯轴插入阀盖4的轴孔内，在阀芯轴与轴孔之间有密封圈2。阀芯体的上段和下段是完整的圆周面，其中段有沿圆周均匀分布的四个凹槽，将中段圆周分割成四段隔开的阀瓣，每个阀瓣的宽度相同，并与阀套6P口和T口的开口宽度相适应，当阀瓣的中心线与异形阀口的中心线重合时，四个阀瓣恰好将四个异形阀口完全封闭。阀芯体的圆周面与阀套6的内圆柱面滑动配合，其配合可采用H6/g5。驱动电机1的壳体通过螺钉与阀盖4连接，驱动电机1的驱动轴与阀芯3的阀芯轴连接。图1、2中，在阀芯3的阀芯轴上有孔，电机1的驱动轴插入该孔中并锁紧。本发明的改进在于，

第一、驱动电机1采用内置有角位移传感器的有限角度无刷直流伺服电机。该电机内置的角位移传感器可实时检测角度误差信号，使电机转动到期望的角度。另外，输出轴转角的有限角度限制了转轴的任意转动，可以防止转动超差使旋转式伺服阀失控。

第二、阀套6上的P口和T口都是如下形状：是一个横置的鼓形，两侧的垂直边为直线，上边和下边为对称的向外凸起的圆滑曲线，设h(θ)为P口和T口的垂直高度，则它可用下式表达： $h\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{h_0}{\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}},$ 式中，θ是阀芯3的转动角度，h₀是θ为零时异形油口的初始高度。阀口高度h(θ)是从阀口上边缘到对应的下边缘的垂直距离。在阀口中心h(θ)值最大，越靠近两侧h(θ)值越小。定义当阀芯3上的阀瓣中心线与P口和T口的中心线重合时θ为零，此时h₀即为P口和T口的垂直侧边的长度。

为了良好对中并减小摩擦，在所说的阀芯体的上段和下段各开有1～3道宽×深为0.5×0.5mm的环形槽。

本发明的工作原理是：输入指令经DSP放大器后输出电压信号u，然后经功率驱动器转换放大为电流信号I送给有限角度无刷直流伺服电机1，伺服电机1随即产生θ的角位移；由于电机轴与阀芯3为同轴刚性联接，电机轴的转动直接带动阀芯3转动。设阀芯半径为r，如果阀芯3转动角度为-14.5°＜θ＜+14.5°，阀套6的四个异形阀口与旋转阀芯3为零遮盖，则阀口开度为 $x=2r\·\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}.$ 当伺服电机1逆时针转动θ的角位移时，旋转阀芯3也转动θ的角位移，使P口和B孔、T口和A孔以一定的阀口开度相连通。当伺服电机1顺时针转动θ的角位移时，使P口和A孔、T口和B孔也以一定的阀口开度相连通。由于P口和T口采用异形阀口，使阀口开口面积与转动角度θ成正比。从而，输入指令信号幅值大小与阀口开口面积严格成正比，输入指令信号的极性决定阀口的开口方向。通过调节输入指令信号，就能控制系统的流量和方向。另外，伺服电机1输出轴上内置有角位移传感器，通过反馈回路可精确定位旋转角度θ值，以保证伺服阀稳定的工作状态。

Claims (2)

1、一种有限角度旋转式电液伺服阀，由驱动电机[1]、密封圈[2]、旋转阀芯[3]、端盖[4]、密封圈[5]、阀套[6]和阀体[7]组成，阀体[7]的上端面有一个圆柱形非贯通内腔，在该内腔中有一个管状阀套[6]，与该内腔紧配合，阀套[6]的高度与该内腔的深度相同，在阀套[6]上有四个沿圆周均布的、开口形状相同的异形阀口，其中两个对称于圆心的阀口是P口，另外两个对称于圆心的阀口是T口，在阀套[6]上每相邻的P口和T口之间有一个圆形通孔，共有四个圆形通孔，其中两个对称于圆心的通孔是A孔，另外两个对称于圆心的通孔是B孔，A孔的轴线垂直于B孔轴线，P口中心线垂直于T口中心线，A孔的轴线与P口的中心线成45度角，在阀体[7]的下端面上有P口接口，该接口通过阀体[7]内部的通路分别与阀套[6]的两个P口连通，在阀体[7]的下端面上有T口接口，该接口通过阀体[7]内部的通路分别与阀套[6]的两个T口连通，在阀体[7]的下端面上有A孔接口，该接口通过阀体[7]内部的通路分别与阀套[6]的两个A孔连通，在阀体[7]的下端面上有B孔接口，该接口通过阀体[7]内部的通路分别与阀套[6]的两个B孔连通；端盖[4]通过螺钉与阀体[7]的上端面牢固连接，在端盖[4]和阀体[7]的上端面之间有密封圈[5]，在端盖[4]与管状阀套[6]对应的位置有一个轴孔，该轴孔与管状阀套[6]同轴；在管状阀套[6]的内腔中有一个阀芯[3]，它由上段直径小的阀芯轴和下段直径大的阀芯体组成，阀芯轴插入阀盖[4]的轴孔内，在阀芯轴与轴孔之间有密封圈[2]，阀芯体的上段和下段是完整的圆周面，其中段有沿圆周均匀分布的四个凹槽，将中段圆周分割成四段隔开的阀瓣，每个阀瓣的宽度相同，并与阀套[6]P口和T口的开口宽度相适应，阀芯体的圆周面与阀套[6]的内圆柱面滑动配合；驱动电机[1]的壳体通过螺钉与阀盖[4]连接，驱动电机[1]的驱动轴与阀芯[3]的阀芯轴连接，其特征在于，

(1)驱动电机[1]采用内置有角位移传感器的有限角度无刷直流伺服电机；

(2)阀套[6]上的P口和T口都是如下形状：是一个横置的鼓形，两侧的垂直边为直线，上边和下边为对称的向外凸起的圆滑曲线，设h(θ)为P口和T口的垂直高度，则它可用下式表达： $h\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{h_0}{\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}},$ 式中，θ是阀芯[3]的转动角度，h₀是θ为零时异形油口的初始高度。

2、根据权利要求1所述的电液伺服阀，其特征在于，在所说的阀芯体的上段和下段各有1～3道环形槽。

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