JP7324545B1

JP7324545B1 - 高速動的応答・低はね返りの永久磁石－電磁結合の高速電磁弁

Info

Publication number: JP7324545B1
Application number: JP2022210556A
Authority: JP
Inventors: 建輝趙; 相東盧; 恒張; ▲ユー▼ 徐; 偉龍劉
Original assignee: 哈爾濱工程大学
Priority date: 2022-03-09
Filing date: 2022-12-27
Publication date: 2023-08-10
Anticipated expiration: 2042-12-27
Also published as: CN114562398A; JP2023133128A; US20230287851A1; CN114562398B; US11988180B2

Abstract

【課題】高速動的応答・低はね返りの永久磁石‐電磁結合高速電磁弁を提供する。【解決手段】高速動的応答・低はね返りの永久磁石‐電磁結合の高速電磁弁は、ケーシング１と、鉄心２とを備える。鉄心は、ケーシング内に取り付けられ、鉄心の真ん中に軸方向の貫通中心孔が穿設され、軸方向の貫通中心孔内にバネ制限スリーブ１２が取り付けられ、鉄心の下方に電機子８、復帰バネ収容室１７が順次設けられ、弁棒１３の上部がバネ制限スリーブ内にあり、バネ制限スリーブ内に上円板状永久磁石、下円板状永久磁石、バネ座金が設けられ、上円板状永久磁石と下円板状永久磁石との間に超磁歪部材が取り付けられる。【効果】電機子吸引時の電磁吸引力を効果的に増大させ、動的応答速度を高め、鉄心の快速な減磁に有利で、電機子の釈放速度を速め、同時に電機子の吸引と着座時のはね返りの度合いを低減でき、高速電磁弁の動特性を向上させた上で、動作安定性を向上できる。【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンに関し、特に、ディーゼルエンジンの高圧コモンレール装置に関する。

コモンレール式高圧燃料噴射システムは、燃料噴射の規則性、燃料噴射量と燃料噴射時期を柔軟に調整できる利点があり、エンジンの具体的な動作状態に応じて最適な燃料噴射特性の調整を実現できるため、現代のディーゼルエンジンは高効率、低排出ガスを実現するコアシステムの一つである。高圧コモンレールシステムのコア部材であるコモンレール燃料噴射器の実行部材としての高速電磁弁は、電気信号と燃料噴射特性との間の橋渡しを担い、電子制御システムはまさに高速電磁弁を介して任意の燃料噴射の規則性への正確な調整、制御を実現する。

燃料噴射の規則性の正確な制御及びより柔軟な複数回の燃料噴射を実現するため、電子制御燃料システムは、高速電磁弁の動的応答特性に対し非常に高い技術的要求を課している。高速電磁弁は、「ｐｅａｋ‐ｈｏｌｄ」電流で駆動され、その過程は電磁弁が開く初期段階で、制御システムが高い駆動電圧を用い、瞬間形成の大電流を通じて電機子の上昇速度を速めることを目的とし、電機子が最大リフト量に達した後、比較的小さな電流で吸引状態を維持し、これにより電機子が釈放された時、コイル電流がすばやくゼロに戻り、電機子の着座を加速することができる。大電流を瞬時に流すことで高速電磁弁の開弁を早めることができるが、高周波パルス噴射の電子制御燃料システムにとって、過大な駆動電流により励磁コイルに大きなジュール熱が発生し、大きな駆動電流を瞬時に流すと鉄心に大きな渦電流損失が発生し、電磁弁の電磁吸引力の急速な増加が妨げられ、電磁弁の急速な開弁が遅れる。また、開閉速度を速くすると、昇降過程で電機子と電磁弁の制限部材／弁座との間に強い衝撃が発生し、電機子が限界位置に到達した後、不規則なはね返りが何度も発生するため、高速電磁弁は一度に全開及び全閉できない。ディーゼルエンジン用電子制御燃料噴射システムは、一方で、高速電磁弁の開閉応答時間を極力短くすることが求められ、もう一方で、高速電磁弁の安定した開弁及び着座が求められ、この矛盾な２つの技術指標は、現在の高速電磁弁研究のホットスポット及び困難点であり、解決が急務となっている技術的課題でもあった。

本発明の目的は、電機子吸引時の電磁吸引力を効果的に増大させ、動的応答速度を高め、鉄心の快速な減磁に有利で、電機子の釈放速度を速めることはでき、同時に電機子の吸引と着座時のはね返りの度合いを低減でき、高速電磁弁の動特性を向上させた上で、動作安定性を向上できる高速動的応答・低はね返りの永久磁石‐電磁結合の高速電磁弁を提供することである。

本発明では、上記目的を達成するために、次の技術的手段を講じた。

本発明の高速動的応答・低はね返りの永久磁石‐電磁結合の高速電磁弁は、ケーシングと、鉄心と、電機子と、復帰バネ収容室と、弁棒とを備え、ケーシングの頂部及び底部に固定ナット及びロックナットが各々設けられ、鉄心はケーシング内に取り付けられ、鉄心に環状溝に設けられ、環状溝内にコイルボビンが嵌入され、コイルボビンにコイルが巻かれ、鉄心の真ん中に軸方向の貫通中心孔が穿設され、軸方向の貫通中心孔内にバネ制限スリーブが取り付けられ、鉄心の下方に電機子、復帰バネ収容室が順次設けられ、弁棒は復帰バネ収容室、電機子を挿通し、弁棒の上部がバネ制限スリーブ内にあり、弁棒の復帰バネ収容室内にある部分に電機子復帰バネが外嵌され、バネ制限スリーブ内に上円板状永久磁石、下円板状永久磁石、バネ座金が設けられ、上円板状永久磁石と下円板状永久磁石との間に超磁歪部材が取り付けられ、上円板状永久磁石と固定ナットとの間に第１緩衝バネが取り付けられ、下円板状永久磁石とバネ座金との間に第２緩衝バネが取り付けられ、バネ座金と弁棒との間に緩衝エアギャップが形成される。

本発明は、次の技術的手段をさらに備えることができる。

１、上円板状永久磁石及び下円板状永久磁石は、いずれも軸方向ラジアル磁化で、かつ極性が同じである。

２、電機子の上端面に外側永久磁石リング及び内側永久磁石リングが嵌め込まれ、復帰バネ収容室の上端面に緩衝永久磁石リングが嵌め込まれる。

３、外側永久磁石リング及び内側永久磁石リングは、電機子の上端面と面一であり、外側永久磁石リングが内側永久磁石リングの外側に位置し、緩衝永久磁石リングと外側永久磁石リングが同軸上で上下に位置合わせし、緩衝永久磁石リングの一部は復帰バネ収容室の上にあり、電機子から分離されている。

４、外側永久磁石リング及び内側永久磁石リングの磁化方向は、どちらも軸方向ラジアル磁化であるが極性が逆で、緩衝永久磁石リングと外側永久磁石リングの磁化方向はどちらも軸方向ラジアル磁化であるが極性が逆である。

５、外側永久磁石リング、内側永久磁石リング及び緩衝永久磁石リングは、一体式磁石リング又は等間隔の磁石リングである。

６、外側永久磁石リング及び緩衝永久磁石リングが等間隔の磁石リングの場合、外側永久磁石リングと緩衝永久磁石リングの角度間隔は同じで、外側永久磁石リングと内側永久磁石リングの角度間隔が異なる。

７、電機子があるチャンバのケーシング内壁には、電機子リフト量の調整リングが設けられる。

本発明の利点としては、
（１）本発明では、電機子が内外側永久磁石リングの構造に嵌入されることで、永久磁石‐電磁結合励磁を実現することができ、コイルに所定方向の電流を流す時、内外側の永久磁石リングの極化方向と同一の磁場を発生し、コイルが発生する磁場と内外側の永久磁石リングが発生する磁場が重畳し、電機子を貫通する総磁束量が増加し、電機子が受ける軸方向の電磁吸力は大きくなり、高速電磁弁の動的応答を向上し、
（２）超磁歪部材は、鉄心の中心穴の磁場作用を受け、弁棒の上昇過程で軸方向に徐々に伸長することで、緩衝バネを徐々に圧縮し、弁棒がフレキシブルスプリングフォ‐スの作用を受け、電機子頂部衝突時の低はね返りを実現し、
（３）コイルが通電状態から非通電状態に変わられた場合、超磁歪部材は伸長状態から通常の高さまで縮み、最初は緩衝バネの付勢力が比較的大きかったため、セルフロックが生じず、電機子の落下速度を加速し、超磁歪部材の磁区が発生する磁場によって形成された渦電流は、鉄心内の残留渦電流の方向とは反対であり、鉄心の減磁を加速し、電機子の着座を加速することができ、
（４）電機子の着座過程で、緩衝永久磁石リングが電機子に作用する斥力が徐々に大きくなり、電機子着座時のはね返りを低減する。

本発明の概略構成図である。超磁歪組立体の部分的拡大図である。完成した磁石リングの概略図である。等間隔に４等分した磁石リングである。等間隔に３等分した磁石リングである。コイル通電時の永久磁石‐電磁結合磁気回路を示す概略図である。コイルの非通電時（左）及び通電時（右）の超磁歪部材の概略構成図である。コイル非通電時の超磁歪部材の磁気回路を示す概略図である。

以下、添付の図面及び実施例を参照しつつ、本発明をさらに詳細に説明する。

図１～図６を参照すると、本発明の構成は、ケ‐シング１、鉄心２、コイル３、コイルボビン４、外側永久磁石リング５、内側永久磁石リング６、緩衝永久磁石リング７、電機子８、電機子復帰バネ９、固定ナット１０、超磁歪組立体１１、バネ制限スリ‐ブ１２、弁棒１３、電機子の上係止リング１４、電機子リフト量の調整リング１５、電機子の下係止リング１６、復帰バネ収容室１７、復帰バネ座金１８、ロックナット１９を有する。ケ‐シング１の頂部及び底部に固定ナット１０及びロックナット１９が各々設けられ、鉄心２に環状溝が穿設されて鉄心の主磁極と副磁極を形成する。コイル３は、コイルボビン４に巻かれ、コイルボビン４の半径方向の幅が鉄心の環状溝の幅に等しく、軸方向の高さが鉄心の環状溝の深さに等しい或いは小さく、コイルボビン４が前記鉄心の環状溝内に嵌め込まれる。鉄心２の真ん中なに軸方向の貫通中心孔が穿設され、ロックナット１９及び復帰バネ収容室１７の中心に同様に中心孔が穿設され、弁棒１３はロックナット１９及び復帰バネ収容室１７を挿通し、弁棒１３の頂部が鉄心の中心孔内に位置する。電機子リフト量の調整リング１５は、鉄心２と復帰バネ収容室１７との間に配置され、電機子復帰バネ９は復帰バネ収容室１７内にあり、復帰バネ座金１８は弁棒１３にねじ込み結合され、弁棒の頂端の上面とバネ座金との軸方向距離が電機子と鉄心との軸方向距離より小さい。電機子８は、弁棒１３の上部に取り付けられ、電機子８の頂部に外側永久磁石リング５及び内側永久磁石リング６が嵌め込まれ、外側永久磁石リング５及び内側永久磁石リング６の磁化方向はどちらも軸方向ラジアル磁化であるが極性が逆である。外側永久磁石リング５及び内側永久磁石リング６の上面は、電機子８の上面と面一であり、外側永久磁石リング５及び内側永久磁石リング６の下面が電機子８の下面を越えず、外側永久磁石リング５の内輪径がコイル３の外輪径より大きく、内側永久磁石リング６の外輪径がコイル３の内輪径より小さい。復帰バネ収容室１７の頂部に緩衝永久磁石リング７が嵌め込まれ、緩衝永久磁石リング７及び外側永久磁石リング５の磁化方向は、どちらも軸方向ラジアル磁化であるが極性が逆で、緩衝永久磁石リング７の内輪径が外側永久磁石リング５の内輪径に等しく、緩衝永久磁石リング７の外輪径が外側永久磁石リング５の外輪径に等しく、緩衝永久磁石リング７及び外側永久磁石リング５が同軸上で上下に位置合わせし、緩衝永久磁石リング７が復帰バネ収容室１７に完全に嵌め込まれておらず、緩衝永久磁石リング７の上面は復帰バネ収容室１７の上面より高いが電機子８の下面と接触せず、緩衝永久磁石リング７の嵌め込み部分が復帰バネ収容室１７と締まりばめする。外側永久磁石リング５、内側永久磁石リング６及び緩衝永久磁石リング７は、一体式磁石リング又は３つの永久磁石リングの角度間隔が同じ等間隔の磁石リング、或いは外側永久磁石リング５と緩衝永久磁石リング７の角度間隔が同じであるが、外側永久磁石リング５と内側永久磁石リング６の角度間隔が異なる等間隔の永久磁石リングであり得る。鉄心２の軸方向の貫通中心孔内に超磁歪組立体１１が設けられ、超磁歪組立体１１は超磁歪部材２１と、緩衝バネ２３と、上円板状永久磁石２０と、下円板状永久磁石２２と、バネ座金２４とを備え、上円板状永久磁石２０及び下円板状永久磁石２２は超磁歪部材２１の上下両端に各々設けられ、上円板状永久磁石２０及び下円板状永久磁石２２はどちらも軸方向ラジアル磁化で極性が同じで、上円板状永久磁石２０の頂部及び下円板状永久磁石２２の底部に緩衝バネ２３が設けられ、下円板状永久磁石２２の底部の緩衝バネ２３にバネ座金２４が配置され、バネ座金２４はバネ制限スリ‐ブ１２に係止され、緩衝バネ２３は圧縮状態にある。

図４を参照すると、本発明の永久磁石‐電磁結合磁気回路の原理は、コイル３に内側永久磁石リング６及び外側永久磁石リング５の極化方向と同じ磁場を発生できる電流を流す時、コイル３は主磁極２７、ヨ‐ク２６、副磁極２９、副磁極エアギャップ３０、電機子８、主磁極エアギャップ２８によって閉じられる磁束Φ１を生成し、外側永久磁石リング５は電機子８、主磁極エアギャップ２８、主磁極２７、ヨ‐ク２６、副磁極２９、副磁極エアギャップ３０によって閉じられる磁束Φ２を生成し、内側永久磁石リング６は主磁極エアギャップ２８、主磁極２７、ヨ‐ク２６、副磁極２９、副磁極エアギャップ３０、電機子８によって閉じられる磁束Φ３を生成し、三者が協調的に結合して重畳され、電機子８と鉄心２との間の動作エアギャップでの磁気誘導強度を増強させ、電機子８を貫通する総磁束量も増加させ、電機子８が受ける軸方向の電磁吸力が大きくなり、高速電磁弁の動的応答を向上する。

図５及び図６を参照すると、本発明の超磁歪組立体の動作原理：（１）コイル３が通電した後、超磁歪組立体１１内の上円板状永久磁石２０及び下円板状永久磁石２２が主磁極２７中の磁場に対して半径方向の軽微な牽引作用を発揮し、超磁歪部材２１は鉄心２の中心穴での軸方向の磁場作用を受け、弁棒１３の上昇過程で軸方向に徐々に伸長することで、緩衝バネ２３を徐々に圧縮し、弁棒１３がフレキシブルスプリングフォ‐スの作用を受け、電機子８頂部衝突時の低はね返りを実現し、（２）コイル３が通電状態から非通電状態に変わられた場合、超磁歪部材２１は伸長状態から通常の高さまで縮み、最初は緩衝バネ２３の付勢力が比較的大きかったため、セルフロックが生じず、電機子８の落下速度を加速し、超磁歪部材２１の磁区が発生する磁場によって形成された渦電流は、鉄心２内の残留渦電流の方向とは反対であり、鉄心２の減磁を加速し、電機子８の着座過程で、緩衝永久磁石リング７が電機子８に作用する斥力が徐々に大きくなり、電機子８着座時のはね返りを低減する。

１ケ‐シング
２鉄心
３コイル
４コイルボビン
５外側永久磁石リング
６内側永久磁石リング
７緩衝永久磁石リング
８電機子
９電機子復帰バネ
１０固定ナット
１１超磁歪組立体
１２バネ制限スリ‐ブ
１３弁棒
１４電機子の上係止リング
１５電機子リフト量の調整リング
１６電機子の下係止リング
１７復帰バネ収容室
１８復帰バネ座金
１９ロックナット
２０上円板状永久磁石
２１超磁歪部材
２２下円板状永久磁石
２３緩衝バネ
２４バネ座金
２６ヨ‐ク
２７主磁極
２８主磁極エアギャップ
２９副磁極
３０副磁極エアギャップ

Claims

高速動的応答・低はね返りの永久磁石－電磁結合の高速電磁弁であって、ケーシングと、鉄心と、電機子と、復帰バネ収容室と、弁棒とを備え、前記ケーシングの頂部及び底部に固定ナット及びロックナットが各々設けられ、前記鉄心は前記ケーシング内に取り付けられ、前記鉄心に環状溝に設けられ、前記環状溝内にコイルボビンが嵌入され、前記コイルボビンにコイルが巻かれ、前記鉄心の真ん中に軸方向の貫通中心孔が穿設され、前記軸方向の貫通中心孔内にバネ制限スリーブが取り付けられ、前記鉄心の下方に前記電機子、前記復帰バネ収容室が順次設けられ、前記弁棒は前記復帰バネ収容室、前記電機子を挿通し、前記弁棒の上部が前記バネ制限スリーブ内にあり、前記弁棒の前記復帰バネ収容室内にある部分に電機子復帰バネが外嵌され、前記バネ制限スリーブ内に上円板状永久磁石、下円板状永久磁石、バネ座金が設けられ、前記上円板状永久磁石と前記下円板状永久磁石との間に超磁歪部材が取り付けられ、前記上円板状永久磁石と前記固定ナットとの間に第１緩衝バネが取り付けられ、前記下円板状永久磁石と前記バネ座金との間に第２緩衝バネが取り付けられ、前記バネ座金と前記弁棒との間に緩衝エアギャップが形成されることを特徴とする、高速動的応答・低はね返りの永久磁石－電磁結合の高速電磁弁。
前記上円板状永久磁石及び前記下円板状永久磁石は、いずれも軸方向ラジアル磁化で、かつ極性が同じであることを特徴とする、請求項１に記載の高速動的応答・低はね返りの永久磁石－電磁結合の高速電磁弁。
前記電機子の上端面に外側永久磁石リング及び内側永久磁石リングが嵌め込まれ、前記復帰バネ収容室の上端面に緩衝永久磁石リングが嵌め込まれることを特徴とする、請求項１に記載の高速動的応答・低はね返りの永久磁石－電磁結合の高速電磁弁。
前記外側永久磁石リング及び前記内側永久磁石リングは、前記電機子の上端面と面一であり、前記外側永久磁石リングが前記内側永久磁石リングの外側に位置し、前記緩衝永久磁石リングと前記外側永久磁石リングが同軸上で上下に位置合わせし、前記緩衝永久磁石リングの一部は前記復帰バネ収容室の上にあり、前記電機子から分離されていることを特徴とする、請求項３に記載の高速動的応答・低はね返りの永久磁石－電磁結合の高速電磁弁。
前記外側永久磁石リング及び前記内側永久磁石リングの磁化方向は、どちらも軸方向ラジアル磁化であるが極性が逆で、前記緩衝永久磁石リングと前記外側永久磁石リングの磁化方向はどちらも軸方向ラジアル磁化であるが極性が逆であることを特徴とする、請求項３に記載の高速動的応答・低はね返りの永久磁石－電磁結合の高速電磁弁。
前記外側永久磁石リング、前記内側永久磁石リング及び前記緩衝永久磁石リングは、一体式磁石リング又は等間隔の磁石リングであることを特徴とする、請求項３に記載の高速動的応答・低はね返りの永久磁石－電磁結合の高速電磁弁。
前記外側永久磁石リング及び前記緩衝永久磁石リングが等間隔の磁石リングの場合、前記外側永久磁石リングと前記緩衝永久磁石リングの角度間隔は同じで、前記外側永久磁石リングと前記内側永久磁石リングの角度間隔が異なることを特徴とする、請求項６に記載の高速動的応答・低はね返りの永久磁石－電磁結合の高速電磁弁。
前記電機子があるチャンバの前記ケーシング内壁には、電機子リフト量の調整リングが設けられることを特徴とする、請求項１に記載の高速動的応答・低はね返りの永久磁石－電磁結合の高速電磁弁。