CN86106267A - 高灵敏度磁性调节器 - Google Patents

Abstract

一个磁调节器，有一壳体，它支承一围着中央芯子的线圈，该芯子上有一隔膜弹簧。高导磁率的盖板装在壳体上与隔膜弹簧分开。一个永磁铁以预定的极性方位装在隔膜弹簧上并从盖板的一个孔中伸出。永磁铁通过壳体和芯提供磁通，它除由线圈电流产生外，还由永磁铁提供来提高灵敏度。磁铁根据线圈中电流流向来定位，使磁铁磁通在芯的极面和弹簧的间隙中与线圈的磁通相加，而在弹簧与盖板的间隙中与线圈磁通相减，从而提供一与电流成线性关系的偏移。

Description

本发明涉及磁性调节器，它的一个部件的偏移是调节器输入电流的线性函数。

偏移是输入信号函数的磁性调节器，应用在许多地方，美国专利4，534，376给出了一个典型的电信号到压力信号的传感器。本发明的调节器是对该专利图6的调节器的改进，这里给出的最佳实施例可广泛应用于需要由低输入电流引起小位移的场合。

它特别适用于以很低的功率产生调节器的驱动和偏移。在小尺寸调节器中产生的可测量的偏移应尽可能地大（工作间隙应该大）以降低对制造公差的要求并降低造价。本发明的装置达到了这些目的。

美国专利3，946，757示出了一个用作燃料计量阀的气动调节器，它有一个产生穿过间隙的磁通的永久磁铁，并安装了一个能在间隙中移动的控制阀门的衔铁，衔铁安装在枢轴上，其下部是弹簧承载的以阻止它绕枢轴移动。绕衔铁的一部分放置一个线圈，以产生一个驱动磁场，它使衔铁按照线圈中的电流大小来移动。这个装置确实给出了一个使在永磁铁间隙中的一个衔铁移动的线圈，线圈中电流产生的磁通在衔铁的一边与永磁铁磁通量相加，在另一边则与永磁铁磁通量相减。

美国专利3.004，546示出了一个电磁传感器，它使用了围绕着中心体的多个永磁铁和一个在中心体中产生磁通的线圈，该磁通在偏移的一个方向上与永磁铁磁通相加，而在偏移的相反方向上与永磁铁通相减。这个调节器是一个力平衡的电动气动式装置，其驱动力沿着该线圈的轴向。那些永磁铁没有提供如本发明所公开的那种和挠曲隔膜型弹簧一起使用的磁路。

美国专利3，913，608也示出了一个阀调节器，它在操作中既使用了永磁铁，也使用了电磁铁，但这个装置想要做成只有阀开和阀关两种位置的阀调节器单元，并没有象本发明中那样要求电流正比于调节器中的位移。

美国专利4，018，419也示出了一个开关阀，它既使用了永磁铁（一个磁化阀杆）又使用了一个移动磁化杆的线圈，当线圈未通激励电流时，磁化杆处在使用阀开放的位置，而线圈通激励电流时将关闭阀门。

美国专利4，053，137示出了一个机电式操作的阀，它有一个由弹簧固定的阀部件，该部件被一电磁调节器响应一个线圈中的电流来驱动。

美国专利4，306，589示出了一个低功率螺线管操作的磁锁定空气阀，在其装置中有一个永磁铁及一个电磁铁，它们联合作用对阀进行操作。永磁铁作为阀部件根据电磁场的状态处于两个喷管的这一个或另一个上。

美国专利4，216，938还示出了一个螺线管驱动的阀装置，它使用一个永磁铁和一个电磁铁两者来工作，该装置确实控制一个正比于电流的流量，但没有实施使用隔膜型弹簧的结构（虽然它有一个螺旋形弹簧），也没有实施本发明装置中的磁铁和磁通气隙的结构。

美国专利4，310，143也示出了一个用于液压系统的电控比例阀，它包括在阀体中建立一个静磁场的装置，还包括在阀部件的磁化部分中感应一个磁场的电磁装置，使感应磁场与静磁场相互作用来确定阀部件的轴向位置。这个位置是电磁装置激励电流的函数。这个线性驱动的滑阀（SPOOL）有一个位于中心的螺旋弹簧，使流体的流动作为电流的函数。

美国专利4，428，558还示出了一个比例螺线管阀，它包括一个能在180°角内作转动位移的旋转磁铁，其转动正比于供给线圈的电流，旋转磁铁带有一个阻尼转动扭力杆。

美国专利4，366，944给出一个磁驱动通断伺服阀，该阀作为衔铁板在两个位置间移动。一个位置隔离流体压力，另一个位置关闭与排出口（drain）的连接。用偏置弹簧使衔铁板处于其中一个位置，线圈中电流把板移置另一位置。

美国专利3，878，504和4，285，054涉及地音探测器，它有一个环形线圈组和一个位于线圈组内侧的永磁铁组合杆，两者的纵轴基本上重合，弹簧辐射架用来支撑线圈组。永磁铁和调节器电磁铁芯布置得使线圈组被支在永磁铁组合件内，能做轴向和转动的移动。

在美国专利3，878，504中还提供了阻尼流体，该装置确实有作弹簧用的隔膜型辐架，但不是本发明装置中的夹层结构，也没有将调节器布置得象本发明中公开的那样动作。

美国专利4，206，749示出了一个用多个永磁铁组合件做调节的控制系统，一个极化磁场被用来驱动这个装置。

本发明涉及一个磁性调节器，用以提供一个位移，它是控制线圈的输入电流的线性函数，它有一个很好的大小与灵敏度的比值。该调节器主要是设计得用于电流-压力转换器，在那里小尺寸是很重要的，而且只涉及小的驱动力。

本发明中的调节器有一个壳体，壳体中有一个隔膜型弹簧，它与在一个线圈中心的芯子上形成的极面隔开。一个铁磁材料的覆盖物盖在壳体沿芯子与隔膜型弹簧相对的那一边，覆盖物上有一顶板。一个永磁铁附在隔膜弹簧的中央，通过覆盖板的开口形成顶板。一个偏转器连在永磁铁上，它处在流体流动的路径上并由弹簧维持在部分阻断流动的位置上。当线圈电流增大时，永磁铁产生的磁通以及弹簧的力学响应提供了偏转器一个线性移动，从而移出流体流动路径，电流与位移间的线性关系部分地是由于永磁铁与线圈电流产生的磁通在磁路的一个间隙中相加而在另一间隙中相减所造成的。

隔膜弹簧最好采用辐式弹簧，它由一层硅橡胶夹在两层弹性材料的薄园盘中形成一夹层结构。这样在很小尺寸中可以得到相对大的最大位移并且因为所提供的间隙相当大，公差不要那么精确，组装也容易。由于运动部分的质量小，振动环境中的性能也提高了，在弹簧隔膜中硅橡胶层的阻尼特性也有助于在振动环境中工作。

该装置造价低而且可靠，即使当电流和位移都很小时也能提供与线圈电流成线性的位移。

图1是根据本发明制造的调节器的一个垂直剖面图，在适当位置示出了一个电流-电压转换器的一部分;

图2是一个沿图1中线2-2取的典型的辐式隔膜弹簧的平面图;

图3是在图1中的区域的极面的放大了的剖面图，以显示结构的细节，以部分剖面，部分断去的方式画出，并说明永久磁铁产生的磁路;

图4是类似图3的剖面图，显示了由线圈电流产生的磁路;

图5是一个根据本发明制造的调节器的另一实施例，在适当位置示出了一个电流-压力转换器的一部分。

图1是本发明调节器的一个典型应用的示意图，特别是利用了美国专利4，534，376所示出的结构，说明磁调节器在电信号到压力信号的传感器方面的应用。传感器以10来表示，由封装在帽罩11中的一个喷嘴12，一个偏转器14和一接收管16组成。将按本发明制造的磁调节器模件15装在帽罩11中。

在按本发明制造的调节器中，偏转器14有一个机械调节器，它能升降以控制从压力源Ps来的通过喷管12到接收管16的流动。喷管12和接收管16都对帽罩11内形成的内腔20敞开，内腔20有一如图所示的出口或排出孔21。从接收管16出来的输出压力Pout取决于偏转器14的位置。如图所示，偏转器14是一园截面的棒，它如专利4，534，376所说明的横向地伸入流体流中。喷管12和接收管16是偏离调节器的中心轴的，为作说明以虚线示于图2。当调节器未被激励时，偏转器14处于阻断或偏转流动的位置，当电流作用时，它将缩回从而增加接收管16的输出。

在本发明公开的结构中，磁调节器15有一铁磁材料的壳体25，它是杯形的并且有一个中央芯子组件26装在壳体的下壁或第一端壁27上。芯组件26有一铁磁材料的园柱体，它在第一端部28处车成螺纹状以旋入下壁27中作调整用。芯26的园柱体的下端有一拧螺纹的槽也用作调整，芯26的第二端部或上端有一带有极面31的平头30，它对着壳体25的开口。

隔膜型弹簧35装在壳体25的相应的肩座36上，在壳体里该弹簧横向伸延，覆盖在壳体的中心腔37上。隔膜弹簧35是铁磁材料夹层结构，它将在下面说明。隔膜弹簧35的下表面与芯26的极面31形成一个间隙38。一个具有软铁磁导磁率的盖板39装在壳体的开口端形成第二端板，它与隔膜弹簧35分开，以便在隔膜弹簧35的上表面和盖板39的内表面间形成间隙45。盖板39基本上与板面31平行。

芯26装在壳体的中央空腔37中，并有一按通常方式缠绕的电气线圈40围绕它，线圈位于平头30的下面，当激励电流通过其导线时，它将提供磁势，表现为在由芯26，隔膜弹簧35，盖板39和壳体25组成的磁路上的磁通，芯26上的极面31伸出线圈40的第一端，芯26的第二端与壳体25的下端壁27以低磁阻相接触。

隔膜弹簧35的上表面装有一永磁铁42（例如ALNICO8磁铁），按预定的方向使磁铁北极表面平贴在隔膜弹簧35的上表面43上。磁南极表面用来固定偏转器14，这样使偏转器14被隔膜弹簧35所支承。软磁材料盖板39有一中央开口46，磁铁42穿过它，使磁铁42的南极和偏转器14在壳体25的外部，而磁铁42的北极在壳体25的内部。一个适当可弯曲的屏蔽或护罩47密封在偏转器14上，从它的边缘到盖板39包围住开口46以防止磁调节器壳体25的内部被污染。

不论线圈40中有无电流，盖板39组成的第二端板总与其它部件一起形成磁路。

隔膜弹簧35制成夹层型结构，如图2所示，有两层适当的金属磁性材料制成的扁平辐式园盘弹簧，每一片都有旋涡形沟槽55，它从永磁铁42附着的中央部分56盘旋地向外缘延伸。这样通过相邻螺旋槽沟间的磁性材料带提供了弹簧的作用。隔膜弹簧由两个扁平园盘57和它们之间并与它们结合的合适的硅橡胶层组成，如图3和图4所示。盘57相对来说是薄的，可以通过选择橡胶的量来得到要求的弹力特征，橡胶层还提供了阻尼以减少对振动的敏感度，隔膜弹簧的外缘以适当方式固定在壳体25上并为所需要的挠曲量向挠曲的中心部分提供必要的弹性变化率。

如图3所示，在线圈40中没有电流时，永磁铁42的北极和南极出来的磁通量如箭头所示。在气隙45中有磁通指向南极。还有流经盖板39和壳体25用箭头62表示的磁通及通过芯26和带有极面31的头30用箭头63表示的磁通。芯26中的磁通量从磁铁42的北极穿过气隙38和弹簧35。

当电流流过线圈40时，电流产生的靠近芯26的头30的磁通路径在图4中用虚线箭头表示，可以看到这些电流产生的磁路是使产生的磁通量在气隙38中与永磁铁42的磁通相加，而在隔膜弹簧35上面的气隙45中从永磁铁42的磁通中减去。气隙38当隔膜弹簧没有位移时是最大的，它代表调节元件移动的极限。

结果是隔膜弹簧35的挠曲特性，以及偏转器14被改变，以致于弹性变化率、线圈40中的电流产生的磁通和永磁铁磁通一起在偏转器14所需运动范围内给出对于线圈电流线性的偏移。

没有线圈电流时，当隔膜弹簧接近或触到形成顶极靴的盖板39时，从隔膜弹簧产生的力是向上的并被向下的力（重力等）平衡。这就固定了装了永磁铁后的位置，并使隔膜弹簧35的下表面和极靴或芯26的表面31间的气隙38的距离最大。这个气隙是按线圈内电流进行调节操作以控制从喷管12到接收管16的流体所允许的移动。从而传输到接收管（输出压力Pout）的气体的量是当线圈40中电流增大，偏移器14向下退缩的量的函数，如图1所示。

这种偏移对线圈电流的线性关系提供了精确的电流对压力的控制，因为接收管16的输出压力是线圈40的激励电流的已知函数。

可移动部分的质量很小，从而在振动环境中提供良好的性能。隔膜弹簧的夹层结构中的硅橡胶层的阻尼特性也有助于在振动环境下工作。因可采用相对大的工作间隙，这样公差可以在合理的加工限度内达到。涡流在操作中不是一个问题，此装置有一很好的尺寸与灵敏度之比，其中装置可以非常小，例如壳体25可以在直径为1英寸的范围中。

由于容室20中周围是空气，磁铁的间隙可十分容易地用柔韧护罩47予以密封，因此可以防止从调节器活动部件来的污染。当供给线圈40的电流被中断时，弹簧的作用还为磁调节器提供了内部故障的保安性能，因为隔膜弹簧将使偏移器14移动到“上部”位置，使输出接收管16产生的压力最小。应当注意要得到与线圈电流成比例的线性偏移，不必使用轴承，其设计是很简单的，没有复杂的装配和部件。

应该注意，隔膜弹簧的夹层结构可以有两个不同厚度的铁磁弹簧园盘以及用不同的合金制成，以得到所需的流量传输特性。夹层结构确实提供了阻尼。从图2中可以看到，如果要与园盘间的橡胶层形成好的结合，螺旋槽沟可在其中间部分加宽。

图5表示用于一电流压力转换器中的本发明的另一实施例。在图5中，编号与图1所用编号相同的代表类似的部件，但是在图5中扁平头71和壳体25垂直扩展以在壳体和头间放一个环状衬垫70。环形衬垫70由非磁性导电材料做成，例如黄铜或铅，由于在衬垫中流动的涡流而提供阻尼。辐式弹簧35由单层磁性材料做成，例如镀镍炭钢，它做成图2所示形状。辐式弹簧35用弹性结合材料73连到壳体25的边缘36上，弹性结合材料73对辐式弹簧35提供了附加的阻尼。弹性结合材料最好是室温硫化橡胶，例如通用电气公司的RTV牌硅酮橡胶。在图5所示的调节器中，环状衬垫70提供的阻尼，而不需使用图3所示的多层结构。

在某些应用中，例如在电流压力传感器中希望用小到7伏的电压作用于传感器从4-20毫安的控制回路来操作调节器，调节器可用的电流可能小到2毫安，这里所描述的调节器对这类低功率应用特别有用。

虽然本发明已参照最佳实施方案进行了描述，技术熟练的人员将认识到在不偏离本发明的精神和范围下仍可对其形式和细节作出改变。

Claims (8)

1、一个提供表示输入电流的机械驱动的磁调节器，包括：

一个从第一端沿中心轴延伸到第二端，具有环绕中心轴的内径的线圈，它响应输入电流产生一个磁势；

一个有第一和第二端，位于线圈内部、有一从所述线圈的第一端向外延伸的一个极面的铁磁芯；

一个由铁磁材料做成，包围所述线圈和铁磁芯的壳体，所述壳体有一与所述芯的第二端以低磁阻相连的第一端板和与所述芯的极面分开的第二端板，所述第二端板有一与所述极面对准的开孔；

一个由铁磁材料做成的隔膜弹簧，它有与壳体固定的一个外缘和一个中心区域，它覆盖在所述极面上并在平衡位置与所述第二端板和所述极面分开，所述隔膜弹簧的中心区域向着或离开所述极面挠曲；

一个装在所述隔膜弹簧中心区域的永磁铁，它穿过所述第二端板的开孔，所述永磁铁与中心轴对准，永磁铁第一极面与隔膜弹簧在所述铁芯的极面相反的那一边接合，永磁铁第二极面延伸出壳体。

2、根据权利要求1的磁调节器，其中所述隔膜弹簧是一夹层结构，有至少一个和弹性材料层连接的铁磁园盘。

3、根据权利要求2的磁调节器，其中所述弹性材料包括硅酮橡胶。

4、根据权利要求2的磁调节器，其中所述夹层结构包括一对铁磁园盘，和粘合在园盘间弹性材料。

5、根据权利要求1的磁调节器，其中所述铁芯沿纵轴对于所述壳体的第一端板可调节地安装。

6、根据权利要求1的磁调节器，连同一个气动装置包括一个流体装置，和一个装于所述永磁铁上并延伸到流体流动装置的流动路径中的偏转器，偏转器伸入流体流动路径的量是所述隔膜弹簧相对于所述芯的极面的位置的函数。

7、根据权利要求1的磁调节器，其中所述永磁铁的极面定向成使永磁铁的磁通和所述线圈的电流产生的磁通在所述芯中及在芯与所述隔膜弹簧的所述间隙中相加，在隔膜弹簧上面的间隙中相减。

8、一个提供表示输入电流的线性移动的磁调节器，包括：

一个壳体;

一个在所述壳体中形成，有一个带一极面的芯的电磁铁;

一个装在所述壳体上，覆盖所述极面并与之分开的隔膜弹簧，所述隔膜弹簧能从一静止位置向着极面挠曲;

一个在所述壳体上，覆盖在所述隔膜弹簧，有一开孔的端壁;

一个以一极面固定在所述隔膜弹簧的与所述芯相反的一面上，并与所述铁芯对准的永磁铁，所述永磁铁伸出所述开孔，所述壳体、端壁、隔膜弹簧和铁芯是磁性材料以传导磁通，所述线圈中的电流起到感应磁通的作用，它与永磁铁磁通相加，能使隔膜弹簧向所述极面移动。

Images