CZ301879B6

CZ301879B6 - Servoventil s momentovým motorem

Info

Publication number: CZ301879B6
Application number: CZ20040402A
Authority: CZ
Inventors: Ryneš@Vladimír; Hrachovský@Tomáš
Original assignee: Jihostroj A. S.
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2010-07-21
Also published as: US7234482B2; CZ2004402A3; US20050205130A1

Abstract

Servoventil s momentovým motorem sestává z válcového telesa (3), ve kterém je usporádána kotva (1) na jednom konci ramene (16) a nuž (18) k uzavrení trysky (19) pracovní kapaliny (2) na druhém konci ramene (16). Rameno (16) je otocné kolem otocného bodu pružného závesu (15), jehož otvor (21) má prumer odpovídající maximální výchylce ramene (16). Kolem kotvy (1) jsou uloženy proti sobe dva magnetické pólové nástavce (5) a dva elektrické pólové nástavce (4), které jsou opatreny tesnicími kroužky (6), takže pracovní kapalina (2), zaplnující vnitrní prostor telesa (3), rameno (16) a kotvu (1), neprosakuje ven z tohoto vnitrního prostoru. Cívky (7) jsou uloženy vne telesa (3). Pólové nástavce (4, 5) jsou výhodne opatreny závitovou cástí (12), zapadající bud do vnejšího kroužku (10), nebo do telesa (3). Magnetické pólové nástavce (5) jsou opatreny nemagnetickým ochranným pláštem (9). Rešení servoventilu minimalizuje proudení pracovní kapaliny (2) v prostoru elektromagnetického obvodu, oddeluje tento obvod od pracovní kapaliny (2) a umožnuje snadné serizování charakteristik momentového motoru. Servoventil je vhodný pro vysoké tlaky rádu MPa.

Description

Servoventil s momentovým motorem

Oblast techniky

Vynález se týká servoventilu s momentovým motorem s mechanickým seřizováním charakteristik, zejména pro vysoké tlaky. Momentový motor sestává z kotvy čtvercového nebo obdélníkového průřezu, kterou obklopují čtyři pólové nástavce, z toho dva pólové nástavce s permanentními magnety s vysokou hustotou energie, uložené proti sobě, a dva elektrické pólové nástavce s budicími cívkami, uložené opět proti sobě, ale pootočeny o 90° vůči magnetickým pólovým nástavcům. Všechny pólové nástavce jsou uloženy na straně odvrácené od kotvy v závitu vnějšího kroužku, který tak uzavírá magnetické pole.

Dosavadní stav techniky

Stávající konstrukce momentových motorů servoventilu musí řešit dvě základní otázky, a to oddělení pracovní kapaliny od elektromagnetického obvodu servoventilu, a dále seřízení elektromagnetického obvodu momentového motoru.

Oddělení prostoru s kapalinou od elektromagnetického obvodu servoventilu se nejčastěji provádí pomocí utěsnění, které je integrováno do závěsu kotvy momentového motoru. Toto utěsnění bývá provedeno tak, že závěs tvoří tenkostčnná pružná trubka, která svou stěnou odděluje prostor pracovního média a elektromagnetické části momentového motoru, nebo závěs tvoří tenká pružná planžeta, přičemž do osy otáčení kotvy je instalováno statické těsnění (O-kroužek), kterým prochází kotva. Tato řešení však nejsou vhodná pro vysoké tlaky řádu MPa.

Pro vysoké tlaky je potom nutno použít řešení, kdy je magnetický obvod zatopen rovněž pracovním médiem. Zde je ovšem nutno použít speciálně impregnované cívky a těsnit vodiče při průchodu stěnou výrobku.

Ze zveřejněné přihlášky vynálezu JP9310 777 je známý servoventil, kde pohybové členy jsou obklopeny pracovní kapalinou, která zaplňuje vnitřní prostor válcového tělesa, a permanentní magnety jsou uspořádány vně i uvnitř vnitřního prostoru válcového tělesa. Jsou odděleny přepážkou z vhodného materiálu. Při posuvném axiálním pohybu vnějšího magnetu (ve vzduchu) se současně pohybuje i vnitřní magnet (v kapalině), a pohyb se dále přenáší na hydraulickou část. Nevýhoda tohoto řešení spočívá v tom, že přenos pohybu není přesný a v důsledku tření a hydraulického odporu vykazuje vnitřní magnet vždy určitou časovou a délkovou prodlevu oproti vnějšímu magnetu.

Z další zveřejněné přihlášky vynálezu CN 2180845 je známo obdobné řešení s vnějším a vnitřním permanentním magnetem, přičemž přenášený pohyb není v tomto případě posuvný, ale rotační. Na kotvě je v její spodní části závit s maticí, který transformuje rotační pohyb na pohyb posuvný. Nevýhody tohoto řešení jsou obdobné jako u předchozího řešení.

Seřizování momentových motorů se provádí za účelem dosažení požadované charakteristiky zdvihu kotvy v závislosti na řídicím signálu, nej častěji elektrickém proudu. Z výrobních důvodů je nutno každý výrobek do seřizovat na požadované charakteristiky, které musí být poměrně přesné. Stávající konstrukce používají ke změně elektromagnetické síly nej častěji změnu namagnetování permanentních magnetů v elektrickém obvodu. Toto řešení vyžaduje použití magnetů, které je možno magnetovat, resp. demagnetovat. Tyto magnety jsou však vždy větší a těžší než magnety ze vzácných zemin, které jsou namagnetovány již z výroby, a mají vysokou hustotu energie na jednotkový objem. Dále je nutno v některých případech rovněž upravovat průběh charakteristiky momentového motoru, Čehož je možné dosáhnout pouze změnou vzdáleností

-1 CZ 301879 B6 mezi kotvou a pólovými nástavci, což však znamená u stávajících konstrukcí demontáž momentového motoru, vkládání podložek nebo ubrušování pólových nástavců.

Z výše uvedených důvodů je proto žádoucí zajistit konstrukci momentového motoru tak, aby bylo možno pracovat s tlaky pracovního média až řádu MPa bez vlivu na funkci, resp, životnost komponentů servoventilu.

Dále je potřebné nalézt konstrukci momentového motoru tak, aby bylo možno provádět seřizování charakteristik momentového motoru bez nutnosti jeho demontáže, úprav dílů nebo magnetizování permanentních magnetů.

Nakonec je žádoucí nalézt konstrukci momentového motoru tak, aby bylo možno užít permanentní magnety ze vzácných zemin, které mají vysokou hustotu energie, čímž dojde k redukci rozměrů a hmotnosti konstrukce.

Prvotním úkolem vynálezu je tedy vytvoření servoventilu s elektromagnetickým momentovým motorem, jenž byl zmíněn v úvodní části, u kterého bude novým řešením oddělen prostor pracovní kapaliny od elektromagnetického obvodu servoventilu a zároveň toto řešení usnadní seřizování servoventilu. Dalším úkolem vynálezu je minimalizovat proudění pracovní kapalíny v prostoru elektromagnetického obvodu.

Podstata vynálezu

První úkol je vyřešen řešením, které obsahuje mimo jiné známé elektrické a magnetické pólové nástavce, vnější kroužek, cívky a kotvu. Servoventil s momentovým motorem sestává známým způsobem z válcového tělesa, ve kterém je uspořádána kotva na jednom konci ramene a nůž k uzavření trysky na druhém konci ramene, přičemž rameno je ve středové části otočné kolem otočného bodu pružného závěsu, kolem kotvy jsou ve válcovém tělese uloženy proti sobě dva magnetické pólové nástavce a vůči nim pootočené o 90° dva elektrické pólové nástavce s cívkami a rameno včetně kotvy je obklopeno pracovní kapalinou, která zaplňuje vnitřní prostor válcového tělesa. Podstata vynálezu spočívá v tom, že pólové nástavce jsou na svých koncích vystupujících dovnitř válcového tělesa opatřeny těsnicími kroužky a cívky jsou uloženy vně tělesa, tedy mimo prostor zaplněný pracovní kapalinou.

V jednom výhodném provedení upevnění pólových nástavců jsou pólové nástavce na svém konci odvráceném od kotvy opatřeny závitovou částí s vnějším závitem, zapadajícím do vnitřního závitu ve vnějším kroužku, nasazeném na válcovém tělese.

V jiném výhodném provedení upevnění pólových nástavců jsou pólové nástavce na svém konci odvráceném od kotvy opatřeny závitovou částí s vnějším závitem, která prochází vnějším kroužkem a zapadá do vnitřního závitu, vytvořeného ve válcovém tělese.

V dalším výhodném provedení podle vynálezu jsou magnetické pólové nástavce opatřeny souosým pláštěm z nemagnetického materiálu.

Hlavní výhoda řešení elektromagnetického servoventilu s momentovým motorem podle vynálezu spočívá v tom, že umožní funkci servoventilu až do pracovních tlaků řádu desítek MPa, přičemž pracovní kapalina je oddělena od cívek a seřizovačích bodů momentového motoru.

Další výhoda řešení elektromagnetického momentového motoru podle vynálezu spočívá v tom, že seřizování charakteristik servoventilu je možné pouhým natočením jednotlivých pólových nástavců a tím změnou jejich vzdálenosti od kotvy.

-2 CZ 301879 B6

Další výhoda řešení podle vynálezu spočívá v tom, že umožní použití permanentních magnetů s vysokou hustotou energie a tyto magnety není nutné v průběhu seřizování přemagnetovávat.

Druhý úkol vynálezu, tedy omezení proudění pracovní kapaliny v prostoru elektromagnetického obvodu, je vyřešen ve výhodném provedení servoventilu podle vynálezu, kdy otvor v pružném závěsu, kterým prochází rameno kotvy, má průměr maximálně tak velký, aby byla umožněna požadovaná výchylka ramene kotvy.

Výhodou tohoto konstrukčního řešení servoventilu je omezení proudění pracovní kapaliny v okolí kotvy a pólových nástavců na minimum, což zamezí možnému ovlivnění elektromagnetického pole a hromadění magnetických nečistot v oblasti kotvy a pólových nástavců.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže osvětlen pomocí výkresů, na nichž znázorňují obr. 1 schematický horizontální řez magnetickým obvodem momentového motoru servoventilu, obr. 2 schematický vertikální řez servoventilem s momentovým motorem podle vynálezu, vedený v rovině elektrických pólových nástavců, obr. 3 schematický vertikální řez servoventilem s momentovým motorem podle vynálezu, vedený v rovině magnetických pólových nástavců.

Příklady provedení vynálezu

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní příklady uskutečnění vynálezu jsou představovány pro ilustraci, nikoli jako omezení příkladů provedení vynálezu na uvedené případy. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zjistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním vynálezu, která jsou zde speciálně popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících patentových nároků.

Před popisem vynálezu a souvisejícího řešení je vyjasněna následující terminologie. Pokud bude dále užit termín „magnetický“ materiál, rozumí se tímto materiál, který zahrnuje paramagnetické a ferromagnetické složky, které mají kladnou susceptibilitu. „Diamagnetickým“ materiálem se rozumí materiál, jehož susceptibilita je záporná a relativní permabilitaje menší než 1. Zdvihovou charakteristikou momentového motoru se rozumí závislost zdvihu kotvy magnetického motoru jako funkce řídicího proudu, procházejícího elektrickými cívkami pro konstantní nastavení polohy pólových nástavců a konstantní tuhost pružného závěsu kotvy.

Na obr. Č. 1 je schéma magnetického obvodu momentového motoru, kde v prostoru pracovní kapaliny 2 je umístěna kotva I. v tělese 3 jsou uloženy magnetické pólové nástavce 5 a elektrické pólové nástavce 4. Všechny nástavce 4, 5 procházejí těsnicími kroužky 6, které zabraňují průsaku pracovní kapaliny 2 ven z pracovního prostoru. Všechny pólové nástavce 4, 5 mají na svém vnějším konci závitovou část 12, která je zašroubována do vnitřního závitu ve vnějším kroužku 10, který je nasazen na tělese 3. V jiném, nezobrazeném příkladu provedení může závitová část 12 procházet vnějším kroužkem 10 a zapadat do vnitřního závitu vytvořeného přímo ve válcovém tělese 3.

Pootočením libovolného pólového nástavce 4, 5 kolem jeho podélné osy dojde kjeho posunu v závitu a tím ke změně vzdálenosti mezi pólovým nástavcem 4, 5 a kotvou I. Magnetické pólové nástavce 5 mají na svém konci směrem ke kotvě 1 umístěn permanentní magnet 8. Tento magnet 8 může být uschován pod tenkým pláštěm 9 z nemagnetického materiálu, který jej chrání před vnějšími vlivy nebo mechanickým poškozením. Magnety 8 jsou poloho vány tak, aby na vnějším konci nástavce 5 byl buď severní, nebo jižní magnetický pól, přičemž oba dva pólové magnetické nástavce 5 musí mít stejnou polarizaci. Tyto magnetické nástavce 5 vytvářejí

-3CZ 301879 B6 v magnetickém obvodu permanentní magnetické pole. Na elektrických pólových nástavcích 4 jsou navlečeny cívky 7 svinutími, která vytvářejí proměnná elektromagnetická poie. Obě tato pole se uzavírají přes vnější kroužek 10. Jejich složením vzniká potom výsledné magnetické pole, které působí silově na kotvu 1. Dle polarizace magnetů 8 a elektrických cívek 7 se dá dosáhnout požadovaného směru působení magnetické síly na kotvu 1. Velikost této síly je potom úměrná počtu ampérzávitů na cívkách 7. Pro daný počet ampérzávitů se však dá velikost síly ovlivnit velikostí vzdálenosti pólových nástavců 4, 5 od kotvy 1.

Pokud se budou oddalovat magnetické pólové nástavce 5 od kotvy 1, bude se zmenšovat síla io působící na kotvu 1 a opačně. Takto je možno seřizovat sklon zdvihové charakteristiky momentového motoru pro daný průběh zdvihu.

Pokud se budou oddalovat elektrické pólové nástavce 4 od kotvy 1, bude se rovněž zmenšovat síla působící na kotvu 1 a opačně. Zároveň se ale bude i měnit linearita zdvihové charakteristiky momentového motoru.

Z výše uvedeného je vidět, že regulací polohy pólových nástavců 4, 5 je možno jednoduše ovlivnit sklon zdvihové charakteristiky momentového motoru, ale zároveň i její linearitu.

Na čelech elektrických pólových nástavců 4, v mezerách mezi nástavci 4 a kotvou i, jsou upevněny dorazy 11 z nemagnetického materiálu. Tyto dorazy 11 definují minimální možnou vzdálenost mezi nástavci 4 a kotvou 1. Jejich velikost musí být minimálně taková, aby nedošlo k lepení kotvy 1 na nástavec 4.

Na obr. 2 je znázorněn řez servoventilem, který ve znázorněném provedení slouží pro plynulou regulaci průtočného množství pracovní kapaliny 2. Tento jednostupňový servoventil je jednocestný a skládá se z tělesa 3, závěsu J_5 kotvy J_, ramena 16 kotvy I, magnetického obvodu popsaného výše, seřizovačích pružin 17, nože Í8 a trysky 19. Rameno 16 kotvy i je uloženo v pružném závěsu 15 kotvy 1, který umožňuje jeho malou úhlovou výchylku v otvoru 21 kolem osy rovnoběžné s magnetickými pólovými nástavci 5. Výsledkem je potom pohyb konce ramena 16. na kterém je uložena kotva 1 momentového motoru, mezi elektrickými pólovými nástavci 4. Na opačné straně ramena J6 kotvy i je uložen nůž 18, který při svém pohybu odkrývá nebo zakrývá otvor v trysce 19. Pomocí seřizovačích šroubů 20 a seřizovačích pružin 17, které jsou opřeny o rameno 16 kotvy 1, lze nastavit výchozí polohu kotvy 1 při nulovém řídicím proudu.

Změnou velikosti tuhosti těchto pružin 17 lze rovněž ovlivnit celkovou tuhost zavěšení kotvy I, a tak ovlivnit i zdvihovou charakteristiku momentového motoru.

Průmyslová využitelnost

Servoventil s momentovým motorem podle vynálezu je využitelný v hydraulických obvodech a všude tam, kde je potřeba dálkově ovládat a plynule regulovat průtok pracovní kapaliny, zejména je vhodný pro hydraulické obvody, pracující s vysokými tlaky.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

5 1. Servoventil s momentovým motorem, sestávající z válcového tělesa, ve kterém je uspořádána kotva na jednom konci ramene a nůž k uzavření trysky na druhém konci ramene, přičemž rameno je ve středové části otočné kolem otočného bodu pružného závěsu a kolem kotvy jsou ve válcovém tělese uloženy proti sobě dva magnetické pólové nástavce a vůči nim o 90° pootočené dva elektrické pólové nástavce s cívkami, přičemž rameno (16) včetně kotvy (1) je obklopeno i o pracovní kapalinou (
2), která zaplňuje vnitřní prostor válcového tělesa (3), vyznačující se tím, že pólové nástavce (4, 5) jsou na svých koncích, vystupujících dovnitř válcového tělesa (3), opatřeny těsnicími kroužky (6) a cívky (7) jsou uloženy vně tělesa (3), tedy mimo prostor zaplněný pracovní kapalinou (2).

15 2. Servoventil s momentovým motorem podle nároku 1, vyznačující se tím, že otvor (21) v pružném závěsu (15), kterým prochází rameno (16), má průměr, vymezující maximální výchylku ramene (16).
3. Servoventil s momentovým motorem podte nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím,

20 že pólové nástavce (4, 5) jsou na svém konci, odvráceném od kotvy (1), opatřeny závitovou částí (12) s vnějším závitem, zapadajícím do vnitřního závitu ve vnějším kroužku (10), nasazeném na válcovém tělese (3).
4. Servoventil s momentovým motorem podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím,

25 že pólové nástavce (4, 5) jsou na svém konci, odvráceném od kotvy (1), opatřeny závitovou částí (12) s vnějším závitem, která prochází vnějším kroužkem (10) a zapadá do vnitřního závitu, vytvořeného ve válcovém tělese (3).
5. Servoventil s momentovým motorem podle alespoň jednoho z nároků 1 až 4, vyzná30 ču j ící se tím, že magnetické pólové nástavce (5) jsou opatřeny souosým pláštěm (9) z nemagnetického materiálu.