CN1749622A - 用于电磁阀的快速响应螺线管 - Google Patents

Abstract

一种用于电磁阀的螺线管，包括大体上为矩形或椭圆形截面的筒管，相对筒管静止的极板，和可响应由通过极板的线圈所产生的磁场而在筒管内滑动的电枢。缠绕着筒管的线圈具有矩形横截面，其短轴侧的宽度为W，宽度W和横截面面积与电枢横截面面积相同的虚拟圆周铁芯的直径D之间的关系可表示为D＝(0.4～0.8)W，电枢长轴侧的长度A与电枢短轴侧的长度B的比率的适用范围为3.1≤(A/B)≤4.5。

Description

用于电磁阀的快速响应螺线管

相关申请的交叉引用

本申请要求于2004年8月6日提出的美国临时申请序列号60/599,814的优先权，其中的内容在此引入作为参考。

技术领域

本发明总体上涉及螺线管，尤其涉及与阀一起作用来控制阀工作的螺线管。

背景技术

人们已知这样的一种电磁阀：其包括用来支撑导线线圈绕组的筒管。典型地由如铁这样的导电材料制成的静止铁芯或极板安装在筒管中心孔附近。可移动电枢可滑动地放置在筒管的开孔里，从而当电流流过线圈的绕组时，促使电枢向着静止极板转移。这种电枢的转移可通过使用与电枢相连接的推销机械式地驱动阀组件，其中推销还与位于阀体内的阀组件连接。一个偏压装置通常用来促使阀组件返回到起始位置，其也促使电枢返回到非励磁位置。因此这些电磁阀的一个工作周期为从线圈的开始励磁到电枢返回到起始位置所需的时间。

当希望通过减少阀体的尺寸大小以使用于特定操作的阀数量达到最大时，有必要减少线圈的绕组尺寸，从而减少在电枢和极板之间的吸引力和/或减少阀的工作速度。为了解决这个问题，需要改变螺线管的几何形状使得线圈的几何形状大体上为矩形，以使线圈能在螺线管的宽度内具有相同的绕组数量来满足必要的使用需求。矩形线圈及其结构的实例已于2004年3月2日公开在Sato等人的美国专利6,698,713中，Sato等人的这项专利还定义了一个计算电枢和极板之间产生的吸引力大小以及功耗的方法。

Sato的美国专利揭露了长轴或螺线管内部线圈一侧的长度“A”与短轴或螺线管内部线圈一侧的长度“B”的比率具有的关系可表示为1.3≤A/B≤3.0。Sato的这个比率限定范围限制了螺线管的几何形状，由此阻碍了理想的电磁功率和/或阀的工作速度在窄或紧排列的螺线管/阀的应用。

发明内容

根据本发明优选实施例的电磁阀的快速响应螺线管包括大体上为矩形截面的筒管。线圈缠绕着所述筒管。静止极板相对所述筒管固定。电枢可滑动地位于所述筒管内，且可在通过极板的线圈产生的磁场的作用下向极板滑动。所述电枢大体上为具有短轴侧和长轴侧的矩形。电枢长轴侧的长度A与电枢短轴侧的长度B的比率的适用范围为3.1≤(A/B)≤4.5。

根据本发明的另一优选实施例，所述静止极板位于筒管第一端，其中极板的一部分延伸到筒管内的通孔内。电刷位于通孔内，并相对筒管基本固定，该电刷设置在电枢和筒管内壁之间，并在电枢和筒管内壁之间存在滑动配合。使用黄铜或其它非磁材料制造电刷减少了电枢与电刷的摩擦和磁吸引力，由此提高了与螺线管连接的阀的非励磁返回速度。

本发明的优点包括：能承受更高的工作功率，隶属工作阀的更短的工作周期，以及不易因运动部件之间的摩擦而磨损的螺线管组件。同时也能使用更小尺寸的导线，其可进一步提高由螺线管产生的电磁吸引力和功率，通过使用本发明的螺线管的几何形状，也能缩短给定螺线管的工作周期。

本发明的进一步应用领域将可从以下详细描述中变得显而易见。可以理解，详细的描述和特定的示例虽然示意了本发明的优选实施例，但这仅仅用于示意而不是用来限制本发明。

附图说明

通过下面的详细描述以及附图可更全面地理解本发明，其中：

图1是本发明的用于电磁阀的快速响应螺线管的透视图；

图2是沿图1的剖面线2-2的横截面正视图；

图3是沿图2的剖面线3-3的横截面俯视图；和

图4类似图2的横截面正视图，示出了阀的励磁/打开位置。

具体实施方式

对优选实施例的以下描述实际上仅仅是示例，并不是用来限制本发明的应用或用途。

根据本发明的一个优选实施例，参考图1，阀组件10包括一个可在阀体安装面16上连接到阀体14上的螺线管12，阀体14的内部组件一般通过阀体装载面18来装载。阀体的入口20、出口22和排放口24是在阀体14的流体系统伺服面26设置的流体孔示例。本发明没有限定孔的特定取向和数量。

下面参考图2，螺线管12的组件包括一个极板28，其通过阀体安装面16在螺线管12和阀体14之间形成一个接触面。通常设置在极板28的周围的磁通框架30构成线圈32的独立导线的外围界限。线圈32包括至少一个或多个在一个或多个绕组中的独立导线31，提供的导线规格范围大致从33.5到35.5(gauge)。极板28的第一部分33放置在线圈32的内腔中。电枢34也位于线圈32的内腔中。极板28和电枢34典型地都是导电和电磁材料，例如铁。电枢34可滑动地放置在电刷36中，这样电刷内壁38可滑动地与电枢外壁40接触。

螺线管12还包括一个外壳42，用于把螺线管12与外部环境密封隔离开。外壳42通过一个适配器44和一个或多个固定销46连到磁通框架30上。外壳42中，放置了一个配电板48，其与引线销(a lead pin)50直接接触。引线销50放置在绝缘电刷52中，使引线销50电绝缘于外壳42。线圈32的绕组上的电流由引线销50通过配电板48和线圈连接器54提供。

如图2所示，电枢34处于螺线管12非励磁状态下。在这个状态下，调整装置56与电枢34接触，形成处于非励磁状态的电枢34的止挡。调整装置56可以螺旋拧动，这样可以通过改变外壳42内的调整装置56的旋入深度来调整电枢34的位置。当有电流供应到线圈32时，在线圈32、极板28和电枢34之间产生磁通量，电枢34在箭头“X”方向离开非励磁位置。由此电枢34拉向极板28。电枢34在箭头“X”方向上的这种平移也移动了与电枢34直接接触的推销58。在极板28中开有间隙孔59，使推销58能在箭头“X”的励磁方向或箭头“Y”的返回(非励磁)方向上移动。

推销58直接接触阀体14中的阀元件60的第一端，阀元件60可滑动地设置在阀体14中，这样阀元件60可以在箭头“X”和“Y”的任一方向移动。如图2所示的电枢的非励磁位置，阀元件60处于关闭状态，其中入口20的流体压力同出口22和排放口24隔离开。一端部保持件62可滑动地承接阀元件60的第二端，并作为阀元件60滑动的正向止挡。端部保持件62通常通过螺栓固定连接到阀体14上。一个偏压元件64位于阀元件60和端部保持件62之间并与它们接触。该偏压元件64使阀元件60远离端部保持件62，同时在箭头“Y”方向上提供一个正常的偏压力，以在螺线管12非励磁时，使阀元件60和推销58以及电枢34在箭头“Y”方向一同返回。偏压元件64和阀元件60位于阀体14的阀芯65中。该阀元件60是阀元件多种设计的一个示例。本发明不限于阀元件60的某种设计。线圈32大体上是矩形或椭圆形，它是基于线圈32的独立导线围绕筒管66的缠绕而成的，其中筒管66本身大体上呈矩形或椭圆形。筒管66包括第一端67和第二端68。在筒管66中开有通孔69用来可滑动地承接极板28的第一部分33，同时也承接电刷36。

现在参考图3，其示出了螺线管12的横截面形状。线圈宽度“W”在螺线管12整体宽度上最大化。图3同时示出了多个孔70，每个孔70用来放置将螺线管12连接安装到阀体14上的紧固件(未示出)。线圈宽度“W”限定了线圈32的短轴长度。筒管66的通孔69中的电刷36限定了线圈32的内圆周和电枢34的横截面面积“S”。直径为“D”的圆72表示了一个与横截面面积“S”相同横截面面积的虚拟圆柱铁芯。因此圆72仅仅表示一个虚拟元件，用于与理论圆形铁芯的比较，公式表示为：S＝(πD²/4)。圆72的直径“D”和线圈宽度“W”的关系用公式表示为：D＝(0.4～0.8)W。电枢34存在进一步的关系，即电枢34的长轴“A”与电枢34的短轴或长度“B”之间的关系，电枢34中“A”对“B”的比率范围或界限用公式表示为：3.1≤A/B≤4.5。

电枢34的“A”对“B”的比率使用上限值时，线圈32的长度“L”与线圈宽度“W”的比率最大化，这样更高的电流和功能也能用于线圈32上。在工业上，电磁阀通常使用的驱动功率大约为4～5瓦特。更快速的螺线管目前也是可行的，其使用的电功率大约为16瓦特，而本发明的螺线管12允许使用的功率可达到大约215瓦特。这些可通过线圈32和电枢34的几何形状，和部分通过在线圈32内使用更小规格的导线来获得，该导线规格尺寸大约在33.5～35.5(gauge)之间。增加螺线管12的功率可大大提高阀组件10的操作效果，因为更高的功率可在线圈32中产生更大的磁通量，该磁通量可提高电枢32的运行速度。公知的4瓦特电磁阀的周期大约为3毫秒，使用本发明的螺线管设计，其周期可减少到340微秒。

本发明的阀组件10的进一步改进通过使用非磁材料，优选使用黄铜材料来制造电刷36而实现。用于制造电刷36的非磁材料，特别地如黄铜这样的材料可在电枢34和电刷36之间产生更低的摩擦系数。还有，电刷36的非磁特性可以减少在电枢34返回到如图2所示的非励磁位置期间电枢34和电刷36之间可能的电磁吸引力。这样进一步减少阀组件10的操作时间。阀组件10的操作时间，亦即其工作周期定义为在电流开始流入到线圈32和电枢34开始移动，直到电枢34返回到如图2所示的非励磁位置时所需的时间。本发明的阀组件10提供了一个全面减少的工作周期，其允许阀组件10用于一些如拣选的操作中，其中这些操作要求控制拣选装置的阀具有非常高的材料传输率和非常低的工作周期。

参考图4，其示出了处于螺线管12的励磁状态下的阀元件60。流体通道“E”位于入口20和出口22之间。偏压元件64受压缩，并产生偏移力使阀元件60返回到如图2所示的当螺线管12处于非励磁时的位置上。图4还示出了一个插件74，其有可滑动地支撑阀元件60上端(如图4所示)的内壁76。通道78轴向上通过阀元件60，当阀元件60在箭头“X”或“Y”方向移动时，该通道允许流体从阀元件60的任一端移到相对一端。偏压元件64产生箭头“Y”方向的推力重新将阀元件60引导到如图2所示的位置上。流体/偏压元件腔室80中的流体也可经通道78流动，从而使阀元件60能在箭头“X”或“Y”方向移动，其中流体/偏压元件腔室部分地围绕偏压元件64。

本发明的优点包括使用更高的工作功率而获得电磁驱动阀的更短的周期和/或增强的电磁驱动力的能力，本发明还能提供更少磨损的阀组件，其中的磨损是运动部件之间的摩擦产生的。同时也能使用更小尺寸的导线，其可进一步提高由螺线管产生的电磁吸引力和功率，通过使用本发明的螺线管的几何形状，也能缩短给定螺线管型号的工作周期。

本发明的上述描述仅仅是示例，因此，不偏离本发明原理的变化也在本发明的限定范围内。例如，也可以使用另外的孔或不同于图2中所示结构的孔，阀元件60的几何形状也因此可以改变以适合于不同的阀孔设计、位置和数量，本发明的阀体的典型尺寸大约长为0.81英寸(2.06cm)、高为0.66英寸(1.66cm)、深为0.31英寸(0.79cm)。本发明的螺线管的典型尺寸大约深为0.31(0.79cm)，其大致与阀体的深度匹配，阀体尺寸的长宽比大约为3/4。这些尺寸仅仅是示例，阀体和螺线管可以不同于这些尺寸。这些变化并不脱离本发明的精神和范围。

Claims (30)

1、一种螺线管，包括：

筒管，其具有大体上为矩形的横截面；

缠绕在筒管上的线圈；

电枢，该电枢可滑动地位于筒管中，用来响应线圈产生的磁场，其中该电枢大体上为具有短轴侧和长轴侧的矩形；且

电枢长轴侧的长度A与电枢短轴侧的长度B的比率的适用范围为3.1≤A/B≤4.5。

2、根据权利要求1所述的螺线管，还包括：

通孔，该通孔位于筒管中；和

电刷，该电刷设置于筒管的通孔中，并定位于筒管和电枢之间。

3、根据权利要求1所述的螺线管，还包括：

相对筒管固定的极板，其中的磁场由通过极板的线圈产生。

其中电枢可响应通过极板的线圈所产生的磁场而向极板滑动。

4、根据权利要求3所述的螺线管，还包括：

筒管的第一端和第二端；

其中极板接近筒管的第一端安置，且电枢通过筒管的第二端可滑动地承接。

5、根据权利要求4所述的螺线管，其中极板还包括位于筒管通孔内的极板部分。

6、根据权利要求1所述的螺线管，其中电刷包括一种非磁金属材料。

7、根据权利要求1所述的螺线管，还包括：

线圈的短轴侧宽度W；

电枢的第一横截面面积；并且

其中直径为D的虚拟圆柱铁芯与宽度W之间的关系可表示为D＝(0.4～0.8)W，该虚拟圆柱铁芯的第二横截面面积等于电枢的第一横截面面积。

8、根据权利要求1所述的螺线管，其中线圈还包括导线规格尺寸在33.5～35.5(gauge)之间的导线。

9、一种螺线管，包括：

筒管，其具有一个大体上为矩形的横截面；

缠绕在筒管上的线圈；

电枢，该电枢可滑动地位于筒管中，且可在线圈所产生的磁场作用下滑动，大体上为矩形的电枢有短轴侧、长轴侧和第一横截面面积；

电枢长轴侧的长度A与电枢短轴侧的长度B的比率的适用范围为3.1≤A/B≤4.5；并且

其中虚拟圆柱铁芯的直径D与宽度W之间的关系可表示为D＝(0.4～0.8)W，该虚拟圆柱铁芯的第二横截面面积等于电枢的第一横截面面积。

10、根据权利要求9所述的螺线管，还包括：

位于筒管中的通孔内的电刷，该电刷相对筒管大体固定，并位于电枢和筒管之间，

其中电刷可滑动地承接电枢。

11、根据权利要求10所述的螺线管，其中电刷包括一种非磁金属材料。

12、根据权利要求10所述的螺线管，其中电刷包括一种黄铜材料。

13、根据权利要求9所述的螺线管，还包括：

可连接到筒管上的静止极板；和

与电枢直接接触的推销，其可滑动地在静止极板的通孔中移动；

其中电枢可响应通过极板的线圈所产生的磁场而向上述静止极板滑动。

14、根据权利要求13所述的螺线管，其中所述静止极板包括可位于筒管的通孔中的部分。

15、根据权利要求9所述的螺线管，其中线圈还包括导线规格尺寸在33.5～35.5(gauge)之间的导线。

16、一种电磁阀，包括：

阀；和

大体为矩形的螺线管，其中该螺线管与阀相连，并可操作地使阀在开启和关闭位置之间切换；该螺线管包括：

筒管，其具有一个大体上为矩形的横截面；

缠绕在上述筒管上的线圈；

一相对筒管固定的静止极板；

电枢，该电枢可滑动地位于筒管中，且可在线圈所产生的磁场作用下滑动，大体上为有短轴侧和长轴侧的矩形；和

电枢长轴侧的长度A与电枢短轴侧的长度B的比率的适用范围为

3.1≤(A/B)≤4.5；。

17、根据权利要求16所述的阀，还包括：

大体为矩形的阀体；和

可滑动地位于阀体中的阀元件。

18、根据权利要求17所述的阀，其中该螺线管还包括一个与电枢直接接触的推销，该推销借助电枢的运动使阀元件复位。

19、根据权利要求18所述的阀，还包括：

可在筒管的通孔中定位的静止极板的部分；和

可滑动地承接推销的极板通孔。

20、根据权利要求17所述的阀，还包括一个偏压元件，该偏压元件可操作地将阀元件从开启位置偏压向关闭位置。

21、根据权利要求17所述的阀，其中阀体还包括一个入口、出口和排放口，其中在关闭位置，阀元件将该入口与出口和排放口隔离开。

22、根据权利要求16所述的阀，其中线圈还包括导线规格尺寸在33.5～35.5(gauge)之间的导线。

23、一种方法，其中该方法用于提高电磁阀中的螺线管的工作速度，该螺线管包括一个大体上为矩形横截面的筒管；缠绕在筒管上的线圈；以及可滑动地位于筒管中的电枢，大体上为矩形截面的电枢具有短轴侧和长轴侧；该方法包括：

制造上述电枢，该电枢长轴侧的长度A与电枢短轴侧的长度B的比率的适用范围为3.1≤(A/B)≤4.5；且

激励线圈，从而通过由线圈产生并通过电枢的电磁场可操作地移动电枢。

24、根据权利要求23所述的方法，还包括：

用推销将电枢连接到阀元件上；以及

在励磁期间，使阀元件从关闭位置复位到开启位置。

25、根据权利要求24所述的方法，还包括：

将线圈去励磁；以及

在去励磁线圈作用下，偏压阀元件，使其回到关闭位置。

26、根据权利要求25所述的方法，还包括在电枢和筒管之间放置一个非磁材料的电刷，用来可操作地减少在电枢和筒管之间的摩擦和磁吸引力，并提高电枢的去磁复位速度。

27、根据权利要求23所述的方法，还包括用导线缠绕线圈，其中导线规格尺寸在33.5～35.5(gauge)之间。

28、根据权利要求27所述的方法，还包括在励磁期间将高达大约215瓦特的电功率用到线圈上。

29、根据权利要求28所述的方法，还包括使用电功率和导线规格尺寸中的至少一种可操作地获得大约为340微秒的螺线管和阀的周期。

30、根据权利要求23所述的方法，还包括

相对筒管固定极板；且

将极板的部分定位于筒管的通孔中。

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