CN202501080U - 电子式交流电磁阀 - Google Patents

Abstract

一种电子式交流电磁阀，其包括：电路单元与传统交流电磁阀两部份,其特征在于：所述的电路单元是一个四端口网络,该四端口包括两个输入端口N1和N2、两个输出端口P1和P2；所述电路单元包括公共端E、储能电路102、压控开关电路101和整流及能量锁定电路103；其中，所述电路单元的连接关系为：输入端口N1、公共端E、储能电路102、压控开关电路101、整流及能量锁定电路103、输入端口N2依次串联；所述公共端E与储能电路102之间输出端口P1连接励磁线圈的A1端，所述压控开关电路101与储能电路102之间的输出端P2连接至励磁线圈的A2端，从而使得所述储能电路102与励磁线圈以并联的形式连接。

Description

电子式交流电磁阀

技术领域

本实用新型涉及电磁阀领域，尤其涉及一种应用电子技术改进的“电子式交流电磁阀”。

背景技术

电磁阀（solenoid valve）是一种应用极为广泛的低压电器，液压设备、气动机械、机动车、IC卡水表、IC卡燃气表、加油机、售水机、电冰箱、饮水机等都将其用作执行器件。其工作原理是利用电磁铁带动阀芯，达到接通、关断介质（液体或气体）管路或改变介质的流通路径之目的。

图1为用作接通、关断介质管路的传统的电磁阀的工作原理图。这种传统的电磁阀主要由励磁线圈、静铁芯、复位弹簧、阀芯、密封垫组成。其工作原理是：当励磁线圈两端的励磁电压U与电源(AC220V、AC110V、AC380V或DC12V、DC24V等，以下称“励磁电源”)接通时，励磁线圈产生的电磁力大于复位弹簧的弹性力，阀芯带着密封垫向静铁芯靠拢，最后互相吸合,A端与B端之间的介质管路便被接通；当励磁线圈两端的励磁电压U与励磁电源断开时, 阀芯失磁并受复位弹簧的作用而复位，A端与B端之间的介质管路便被关断。

综上所述,这种传统的电磁阀的工作过程可分为“吸合”、“吸持”“复位”三个阶段：

1、吸合：励磁线圈与励磁电源接通,阀芯、静铁芯吸合,管路接通。在此阶段，励磁电源必须提供较大的功率（以下称此功率为“吸合功率”）,阀芯才能被吸合；

2、吸持：励磁线圈继续与励磁电源接通,阀芯、静铁芯保持吸合的状态,管路继续接通。在此阶段，励磁电源只须提供较小的功率（以下称此功率为“吸持功率”）,阀芯也能继续吸合。若在此阶段，励磁电源提供与吸合功率一样大的吸持功率，将造成电能浪费并导致励磁线圈不应有的发热升温；

3、复位：励磁线圈断开励磁电源,阀芯、静铁芯分离、管路复位关断。

电磁阀的用途千差万别，结构也千差万别，但它们的工作原理均与图1相同。

电磁阀的励磁电源既可用DC电源也可用AC电源。以DC电源为励磁电源的电磁阀（以下简称直流电磁阀）存在以下的优、缺点：

1、具有运行平稳、无噪声的优点；

2、DC电源提供的吸持功率与吸合功率一样大,造成电能浪费并导致励磁线圈不应有的发热升温；

3、必须另加DC电源,大幅度地增加了成本。

以AC电源为励磁电源的电磁阀（以下简称交流电磁阀）也存在以下的优、缺点：

1、方便：可用市政AC电源作为其之励磁电源；

2、发热：在吸合和吸持阶段,由于励磁线圈中均通以交流电压（即AC电压）,因此，阀芯与静铁芯中将不可避免地产生滞磁损耗、涡流损耗而发热,阀芯与静铁芯的发热殃及励磁线圈,严重时会导致励磁线圈烧毀。对于介质温度较高的电磁阀，例如开水电磁阀，将加剧此类情况的发生。

3、噪声：输入到励磁线圈中的AC电压,每次“过零”（AC电压由正半周向负半周或负半周向正半周过渡的“过零点”）时,电磁吸力剧变,会使阀芯、静铁芯产生频率为100Hz（50Hz交流电）或120Hz（60Hz交流电）的机械振动噪声。

4、功率因素（Power facter）低：励磁线圈是电感性的器件，根据电感的电学特性，其与AC电源之间必然发生能量交换，导致功率因素低。

针对传统的直流电磁阀和交流电磁阀存在的优、缺点，本实用新型的宗旨是用电子技术改造传统的电磁阀，吸取直流、交流电磁阀各自的优点，克服它们的缺点，应用电子技术，设计一种机电一体化的、用AC电源作励磁电源的兼具节电功能的电子式交流电磁阀。具体目标是：

1、秉着“至精必须至简，唯有简单实用才能长久流传”的出发点，设计一个电子线路尽量简单的、所用器件尽量少的、价格尽量廉的电磁阀专用的至精至简的“电路单元”。

2、该“电路单元”可用于改造在线使用的传统交流电磁阀,使这些交流电磁阀成为运行时无噪声的“电子式交流电磁阀”；

3、该“电路单元”也可集成到将要生产的传统交流电磁阀中,使电磁阀的制造商生产出与“电路单元”一体化的新型的“电子式交流电磁阀”。

实用新型内容

为了达到上述目标,本实用新型设计的技术方案是：一种电子式交流电磁阀,电路单元与传统交流电磁阀两部份,其特征在于：

所述的电路单元是一个四端口网络,该四端口包括两个输入端口N1和N2、两个输出端口P1和P2；所述电路单元包括公共端E、储能电路102、压控开关电路101和整流及能量锁定电路103；其中，所述电路单元的连接关系为：输入端口N1、公共端E、储能电路102、压控开关电路101、整流及能量锁定电路103、输入端口N2依次串联；所述公共端E与储能电路102之间输出端口P1连接励磁线圈的A1端，所述压控开关电路101与储能电路102之间的输出端P2连接至励磁线圈的A2端，从而使得所述储能电路102与励磁线圈以并联的形式连接；其中，电容器C构成所述储能电路102、稳压二极管DW构成所述压控开关电路，二极管D构成所述整流及能量锁定电路；所述二极管D的正极连接至市政AC交流供电网络，其负极与所述稳压二极管DW的负极连接，并且所述稳压二极管DW的正极连接至输出端P2；所述二极管D与所述稳压二极管DW互为联动，当二极管D截止时,稳压二极管DW截止；当稳压二极管DW导通时，二极管D导通。

所述的压控开关电路对AC电压与储能电路两端电压的差值进行自动鉴别，当所述的差值大于稳压二极管DW的击穿电压值时，稳压二极管DW导通，否则，其就截止。

储能电路既与所述的压控开关电路也与整流及能量锁定电路互为联动，压控开关电路导通时，其充电储能；压控开关电路截止时，其对所述的励磁线圈放电释能；其放电释能时，整流及能量锁定电路截止；截止的整流及能量锁定电路锁定了储能电路的能量。

理论分析和实验样机的长时间的运行结果均证明,应用本实用新型,可以取得以下有益效果：

1、价廉。本实用新型中用于改进传统交流电磁阀性能的至精至简的“电路单元”,仅有三个电子元件,总成本小于0.5元人民币。仅花0.5元钱,就可使传统交流电磁阀提升为优良性能的运行时无噪声的“电子式交流电磁阀”；

2、物美。上述三个电子元件的体积均较小，可将它们集成到传统交流电磁阀的内部,制造成一体化的、外观悦目的电子式交流电磁阀；

3、可靠。电子产品的可靠性与所用的电子器件的数量成反比,价格与所用的电子器件的数量成正比。所用的电子器件多,电子线路复杂,就意味着可靠性低、价格高。本实用新型所用的电子器件少,因此,不仅成本底,而且可靠性高；

4、静噪。传统交流电磁阀运行时噪声大已是不争的事实,业內人员对传统交流电磁阀噪声大已经达到司空见惯,见怪不怪的地步。本实用新型运行时无噪声,即使在夜深人静的时候,也听不到噪声，实令观者称奇；

5、强劲吸合。传统交流电磁阀吸合时在励磁线圈中流动的励磁电流为缓变的正弦交流电流,本实用新型为突变的脉冲电流。因此,传统交流电磁阀吸合动作滞钝、声音沉闷；本实用新型吸合动作强劲有力、声音清脆。本实用新型由于吸合强劲,故可增加电磁阀开启和关闭的可靠性并可用其取代结构较复杂的“先导式电磁阀”。

6、节约电能。在以下的“具体实施方式”中,还将在理论上阐述本实用新型节约电能的原理；实测结果也表明,本实用新型视在功率的节电效率大于65℅。

7、方便。本实用新型设有公共端E,为制造和使用电磁阀带来了方便。

附图说明

图1为电磁阀的工作原理图；

图2为本实用新型的原理方框图；

图3为实施例1的电路原理图；

图4a为实施例1的充电电流I0的脉冲波形图；

图4b为AC电压的波形图；

图5为实施例2的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图,说明本实用新型的实施方式。

图2为本实用新型的原理方框图,图中虚线方框100为本实用新型的电路单元、L为传统交流电磁阀的励磁线圈、I0为充电电流、P1与P2为电路单元100的两个输出端口、N1与N2为电路单元100的两个输入端口、101为压控开关电路、102为储能电路、103为整流及能量锁定电路、AC电压为市政交流供电网的交流电压、E为本本实用新型的公共端。

结合图2,本实用新型包括电路单元100及传统交流电磁阀,其特征在于：电路单元100是一个四端口网络,其其由输入端口N1、输出端口P1、储能电路102、输出端口P2、压控开关电路101、整流及能量锁定电路103、输入端口N2依次相串联后组成；并且,所述的输入端口N1、输入端口N2分别与AC电压的S1端、S2端相连接，所述的输出端口P1、输出端口P2分别与传统交流电磁阀的励磁线圈之A1端、A2端相连接；所述的储能电路102与所述的励磁线圈L相并联；所述的AC电压的S1端、输入端口N1、输出端口P1、励磁线圈之A1端均与公共端E连接。

本领域的技术人员应该清楚：所述的AC电压的S1端、S2端可以互易连接端口，所述的励磁线圈L之A1端、A2端也可以互易连接端口。

结合图2、图3：

所述的压控开关电路101由稳压二极管DW构成,所述的稳压二极管DW的一端接输出端口P2,另一端与所述的整流及能量锁定电路103连接。

所述的整流及能量锁定电路103由二极管D构成，所述的二极管D的正端与所述的输入端口N2连接,负端与所述的压控开关电路101连接。

所述的储能电路102由储能电容C构成,所述的储能电容C与所述的励磁线圈L相并联，它们并联后，一端与所述的输出端口P2连接、另一端与所述的公共端E连接。

所述的压控开关电路101对AC电压与储能电路102两端电压的差值进行自动鉴别，当所述的差值大于稳压二极管DW的击穿电压值时，稳压二极管DW导通，否则，其就截止。

本领域的技术人员应该清楚：所述的稳压二极管DW可由双极型瞬态电压抑制二极管、单极型瞬态电压抑制二极管、压敏电阻三者之一代用。

所述的压控开关电路101与所述的整流及能量锁定电路103互为联动,当整流及能量锁定电路103截止时,压控开关电路101必然截止；当压控开关电路101导通时，整流及能量锁定电路103必定导通。

储能电路102既与所述的压控开关电路101也与整流及能量锁定电路103互为联动，压控开关电路101导通时，其充电储能；压控开关电路101截止时，其对所述的励磁线圈L放电释能；其放电释能时，整流及能量锁定电路103截止；截止的整流及能量锁定电路103锁定了储能电路102的能量。

结合图3、图4a-4b,从S1、S2端输入的AC电压的数学表达式为：

          u=UmSin（ωt＋φ）

上式中：u为AC电压的瞬时值,Um为AC电压的的振幅值,ω为AC电压的角频率,φ为AC电压的初相角。

为简便说明,现假设初相角φ=0,则AC电压的瞬时值u的表达式为：

          u=UmSinωt

其波形如图4b所示。

t=0时,AC电压接通,此时,由于AC电压接通前,储能电容C和励磁线圈L放电均结束,故励磁线圈L两端的电压UL=0

结合图3,稳压二极管DW两端的电压UT=u－UL【勿略了二极管D导通时，其两端的压降（硅二极管约0.7V），以下，均同样作此“勿略”】

当t=t1时,UT=u1－UL=u1－0=u1=UmSinωt1若u1=UB（UB为稳压二极管DW的击穿电压）则：0～t1的时间段内,UT＜UB,稳压二极管DW截止,其等效为开路,故充电电流I0=0,图3中的励磁电流IL=0,电磁阀不工作。

t=t1时,u1=UB,稳压二极管DW击穿,呈短路，u1直接施加在电路单元100的两个输出端P1与P2之间，此时：

1、二极管D因正向偏置而导通；

结合图1：阀芯吸合之前，由于阀芯与静铁芯之间存在一段空隙，磁路的磁阻较大，因此，此时励磁线圈L的电感量很小，约为阀芯吸合之后的电感量的二百分之一，其在电压u1的作用下，产生了较大的励磁电流IL，阀芯在磁力的作用下克服复位弹簧的阻力而强劲吸合；

2、充电电流I0同时对储能电容C充电；

3、结合图4a-4b，在稳压二极管DW击穿的瞬间，由于储能电容C的充电电流Ic1、励磁电流IL均较大,因此,就产生了图4a所示的充电电流I0的吸合脉冲111的陡直的上升沿。

t=ta时,由于阀芯的吸合而进入吸持状态,使励磁线圈L的电感量急骤变大,导致励磁电流IL急骤变小,充电电流I0也随之急骤地下降至I0=Ia

在ta～t2的时间段内,充电电流I0受以下两方面的影响：

1、              随时间递增的输入电压u；

2、              随着电流Ic1对储能电容C持续地充电,储能电容C两端的电压

UL也随时间快速递增。

受以上两方面的作用,充电电流I0由t=ta时的I0=Ia下降至t=t2时的I0=I2

在t2～t3的时间段内,由于输入电压u随时间递减,因此,充电电流I0由t=t2时的I0=I2快速下降至t=t3时的I0=I3

在输入电压u=u3且UT=u3－UL＜UB的条件成立时,稳压二极管DW截止,等效为开路,导致充电电流I0=0并形成了吸合脉冲111的下降沿。

在t3～t41的时间段内,输入电压u比u3更小,UT＜UB的条件更易成立,稳压二极管DW仍截止,因此,充电电流I0仍为I0=0。

在t41～t42的时间段内,AC电压为S2端高电平、S1端低电平的负半周,二极管D截止,充电电流I0必然为I0=0。

分析至此,结合图4a-4b可作以下小结：

1、在t=t1时,稳压二极管DW击穿导通,阀芯开始吸合,在t=ta时,阀芯吸合；

2、阀芯吸合后,电磁阀进入吸持状态，AC电压通过充电电流I0继续对储能电容C、励磁线圈L充电,直至t=t3时,稳压二极管DW截止,充电的暂态过程结束。

稳压二极管DW关断、充电电流I0=0、充电结束之后,电磁阀依靠储能电容C和励磁线圈L所储存的电能保持阀芯吸持状态，其过程为：

1、结合图3,在t=t3、稳压二极管DW关断瞬间,由于电感中的电流不能突变,因此励磁电流IL将继续流通；

2、储能电容C通过励磁线圈L放电,其放电电流Ic2与励磁电流IL的方向－致,二者互为互补维持；

3、只要选择储能电容C合适的电容量，其与励磁线圈L的电感相配合，就可获得足够长的LC时间常数（time constant），使励磁电流IL在充电电流I0=0的时间段內仍有足够的、可保持阀芯吸持的电流强度。

结合图4a-4b,随着放电的进程,储能电容C两端的电圧UL将下降。在t=t5时刻,输入电压u=u5,UT=u5－UL＞UB的条件再次成立,稳压二极管DW再次击穿呈短路,充电电流I0再次为储能电容C和励磁线圈L充电补充能量。在此t=t5时刻,由于储能电容C两端的电圧UL已被消耗而降至较低值,因此,充电电流I0=I5以较大的值为储能电容C和励磁线圈L充电补充能量,从而形成补能脉冲112的陡峭的上升沿。

补能脉冲112在t=t5之后各时间段,充电电流I0的工作过程与吸合脉冲111在各相应时间段的工作过程相似,这里不再重复叙述。

吸合脉冲111与补能脉冲112的波形基本相同,只不过脉冲前沿不相同,前者上冲高后者上冲低,造成此差别的原因是：

1、稳压二极管DW击穿导通瞬间,储能电容C和励磁线圈L的状态不同,前者,储能电容C和励磁线圈L放电均已结束、电圧UL=0；后者,储能电容C和励磁线圈L尚存部份能量、UL≠0。图4a-4b中,输入电压u5与u1的差值就是t=t5时刻电压UL的值,此UL的值也是本实施例能在t=t5时刻仍可保持阀芯“吸持”状态的原因；

2、稳压二极管DW击穿导通瞬间,励磁线圈L的电感量不同，前者,阀芯未吸合,励磁线圈L的电感量小；后者，阀芯已吸合,励磁线圈L的电感量约为前者的200倍。

综合本实施例的上述工作过程，再结合图3，可得出本实施例的以下特征：

1、稳压二极管DW实际上是－个具有鉴别功能的压控开关。在吸合阶段，其对随机接通的AC电压进行自动鉴别：当AC电压的瞬时值小于其之击穿电压UB的值时，其截止不导通，当AC电压的瞬时值≥UB的值时，其导通；在吸持阶段，其对输入的AC电压与储能电容C两端电压的差值进行鉴别，当此差值大于UB时，其导通，否则，就截止。

2、所述的稳压二极管DW与所述的二极管D互为联动,当二极管D截止时,稳压二极管DW必然截止；当稳压二极管DW导通时，二极管D必定导通。

3、储能电容C既与稳压二极管DW也与二极管D互为联动，稳压二极管DW导通时，其充电储能；稳压二极管DW截止时，其对所述的励磁线圈L放电释能；其放电释能时，二极管D截止；截止的二极管D锁定了储能电容C上的能量。

由于三个电路，或者说稳压二极管DW、储能电容C、二极管D三只元件巧妙地、协调一致地工作，使本实施例具备了“节电”、“静噪”、“强劲吸合”的三大功能。

本实施例与传统交流电磁阀的对照分析：

一、          吸合

1、本实施例选择了具有合适的击穿电压UB的稳压二极管DW,使t=t1时刻，即稳压二极管DW击穿、输入电压u1足够高、励磁线圈L产生的磁力足够强、足以强有力地快速地吸合阀芯时,本实施例才通电吸合,否则就拒绝工作而作等待,直到输入电压的值升至u＞UB时才猛烈地吸合阀芯。

本实施例由于具有此“强劲吸合”的特性，因此，可以在某些场合取代结构较复杂的“先导式电磁阀”。

2、严格地讲,本实施例与传统交流电磁阀的吸合电压都是随机的,均随AC电压接通时刻的交流瞬时值不同而不同。前已述，本实施例的优点是：对随机接通的AC电压具有自动鉴别的功能：当AC电压的瞬时值u=UmSin（ωt＋φ）＜UB时,其输出的电压UL=0；当AC电压的瞬时值u=UmSin（ωt＋φ）≥UB时,其输出的电压UL=u、換言之,无论AC电压何时接通,本实施例的吸合电压均≥UB。

传统交流电磁阀则不然,其对随机接通的AC电压无鉴别的功能,全凭“运气”。运气好,AC电压在u=UmSin（ωt＋φ）=Um时接通,则强有力地吸合；而大部份时间则是“运气不好”。设用于克服复位弹簧弹力的最低励磁电压（即最低吸合电压）为u=UmSin（ωt＋φ）=u0则：

（1）、若AC电压在u=u0时接通,其就勉强而无力地吸合；

（2）、若AC电压在u＜u0时接通,其就白白地耗电而不能吸合,一直耗电至AC电压的瞬时值上升至u=u0时才勉强而无力地吸合。

二、噪声

1、传统交流电磁阀在吸持阶段，输入到励磁线圈中的AC电压在“过零”（AC电压由正半周向负半周或负半周向正半周过渡的“过零点”）时,零点附近的瞬时电压u＜u0（前已述u0为用于克服复位弹簧弹力的最低励磁电压），且励磁线圈储存的电能耗尽、励磁电流換向时，磁力小于复位弹簧的弹力，阀芯将离开静铁芯，但其刚离开很小的－段距离时，AC电压的瞬时值u已上升为u＞u0，于是离开的阀芯重新被磁力拉回、阀芯、静铁芯重新吸合。在此过程中，阀芯、静铁芯会产生频率为100Hz（50Hz交流电）或120Hz（60Hz交流电）的机械振动噪声。

本实施例经二极管D整流后，为直流工作，不存在上述噪声，元件参数的选择又保证其可以稳定地“吸持”，因此，本实施例具有“静噪”的优良性能。

三、耗电

1、传统交流电磁阀为交流工作,存在滞磁损耗、涡流损耗；本实施例为直流工作,无滞磁损耗、涡流损耗。

2、传统交流电磁阀在AC电压的全时域均通电；本实施例则为

（1）、在AC电压的负半周均截止不通电（仅此举,本实施例已毫无疑义地比传统交流电磁阀省电50℅）；

（2）、结合图4a-4b：在AC电压的正半周,本实施例的“吸合脉冲”111和“补能脉冲”112的导通角Q1、Q2均小于180°,使本实施例更进－步地省电；

3、传统交流电磁阀的励磁线圈为感性器件,功率因素低,有附加的线路损耗。本实施例导通角之外的时域,稳压二极管DW、二极管D均截止,储能电容C和励磁线圈L充电时所得的能量全被“锁”在内部,与AC电源间无能量交換,功率因素→1，不存在因功率因素低而附加的线路损耗。

图5为实施例2的电路原理图。

本实施例2包括电路单元100及传统交流电磁阀，其特征是：所述的电路单元100是一个四端口网络，其由输入端口N1、输出端口P1、储能电容C、输出端口P2、稳压二极管DW、二极管D、输入端口N2依次串联后组成；其输入端口N1与AC电压的S1端连接、输入端口N2与AC电压的S2端连接、输出端口P1与传统交流电磁阀的励磁线圈L之A1端连接、输出端口P2与所述的励磁线圈L之A2端连接；储能电容C的一端接输出端口P2，另一端接公共端E。

本实施例2与实施例1相对照，变动之处是：

1、二极管D的极性改为负极接输入端口N2、负极接稳压二极管DW，其在线路中的极性与实施例1中的二极管D之极性相反；

2、脉冲充电电流I0、储能电容C之充电电流Ic1、放电电流Ic2及励磁电流IL的方向也相应地与实施例1中的方向相反。

本领域的技术人员应该清楚,作以上变动后,本实施例2工作原理、工作过程仍与实施例1相同。

以上阐述了本实用新型的技术方案,一切不脱离本实用新型的技术方案实质的技术替代,都应在本实用新型的权利要求的范围内。

Claims (1)

1.一种电子式交流电磁阀，其包括：电路单元与传统交流电磁阀两部份, 其特征在于：

所述的电路单元是一个四端口网络,该四端口包括两个输入端口N1和N2、两个输出端口P1和P2；

所述电路单元包括公共端E、储能电路102、压控开关电路101和整流及能量锁定电路103；其中，

所述电路单元的连接关系为：输入端口N1、公共端E、储能电路102、压控开关电路101、整流及能量锁定电路103、输入端口N2依次串联；所述公共端E与储能电路102之间输出端口P1连接励磁线圈的A1端，所述压控开关电路101与储能电路102之间的输出端P2连接至励磁线圈的A2端，从而使得所述储能电路102与励磁线圈以并联的形式连接；

其中，电容器C构成所述储能电路102、稳压二极管DW构成所述压控开关电路，二极管D构成所述整流及能量锁定电路；

所述二极管D的正极连接至市政AC交流供电网络，其负极与所述稳压二极管DW的负极连接，并且所述稳压二极管DW的正极连接至输出端P2；或者，所述二极管D的负极连接至市政AC交流供电网络，其正极与所述稳压二极管DW的正极连接，并且所述稳压二极管DW的负极连接至输出端P2；所述二极管D与所述稳压二极管DW互为联动，当二极管D截止时, 稳压二极管DW截止；当稳压二极管DW导通时，二极管D导通。

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