一种基于拍合式电磁铁的湿式电-机械转换器

1.本发明涉及流体传动及控制领域中2d数字开关阀用的电-机械转换器，尤其涉及一种基于拍合式电磁铁的湿式电-机械转换器。


背景技术：

2.电液伺服、比例及换向阀等作为液压系统核心控制元件，对整个电液控制系统的性能起着决定性的影响，历来是流体传动及控制领域的研究热点。近年来，利用伺服螺旋机构原理工作的二维电液开关阀具有阀芯径向转动和轴向移动的双自由度、控制灵活、精度高、频响快、低滞环、泄漏量小、结构简单等优点，目前主要运用在航空航天，导弹等军事领域且多为极端恶劣环境下。
3.电-机械转换器，是将电能转化为机械能的一种驱动元件，它作为电液开关阀的一个核心部件，是连接电气信号与机械动作之间的桥梁，是电液开关阀的驱动元件。电-机械转换器的性能是与电液开关阀的整体性能紧密相关的。因此，高性能电-机械转换器的研究开发一直是业界的一个重要的研究课题。工业技术的发展进步对电-机械转换器提出了更高的要求，主要有以下几点：结构简单、高频响、带载能力强、输出线性好以及易于维护等。传统的电磁式电-机械转换器主要有动圈式和动铁式两种。动圈式力马达的线性度好、磁滞影响小、工作行程长，但其功率重量比小，通电时往往存在严重的发热问题。动铁式如喷嘴挡板阀和射流管用力矩马达等转子组件惯量小，动态响应高，但是其受气隙变化和材料磁滞影响，输出特性的非线性较严重，行程较小，此外其工作在毫安级电流下，输出转矩很小。另一种常用的动铁式电-机械转换器是比例电磁铁，其工作行程长，推力较大，易于做成湿式结构，缺点是衔铁组件惯量较大，动态响应低，且直驱阀芯时易受到摩擦力影响。此外，随着高磁能积永磁材料生产和加工成本的下降，在电-机械转换器中使用稀土永磁材料作为极化磁场源以降低功耗和减少线圈散热，至少在民用领域而言，已经成为一种较为普遍的设计方法。
4.此外，电-机械转换器按照衔铁是否允许浸泡在油液里而被分为干式和湿式两类，湿式电-机械转换器由于其耐高压设计而得以取消干式结构固有的阀杆上的动密封，提高了阀的工作可靠性；衔铁工作时可以浸在油液中，油液会循环带走轭铁和衔铁的部分热量，起到改善散热的作用；油液的阻尼效应也使得阀切换时噪声小，工作平稳，延长了使用寿命。因此，具备湿式耐高压能力的高性能电-机械转换器一直是研究重点和发展方向。


技术实现要素：

5.为克服上述问题，本发明提供一款基于拍合式电磁铁的湿式电-机械转换器。
6.本发明采用的技术方案是：一种基于拍合式电磁铁的湿式电-机械转换器，包括铝壳、衔铁部件、电磁铁部件、复位弹簧部件、螺堵部件和永磁体；
7.所述铝壳呈矩形体结构，铝壳顶部中央设有矩形沉孔；铝壳内且位于矩形沉孔的下方设有衔铁部件容腔，衔铁部件容腔由上下连通的第二长方体容腔和第一长方体容腔组
成；铝壳内且位于第二长方体容腔的左右两侧分别设有一个电磁铁部件容腔，铝壳前侧表面设有与第一长方体容腔连通的第五通孔，铝壳底部中央设有与第二长方体容腔连通的螺堵安装孔；
8.所述衔铁部件包括输出轴、下衔铁、上衔铁、转轴和紧固螺钉，所述上衔铁呈矩形薄板结构，上衔铁可沿左右方向移动地设置在第二长方体容腔v内，上衔铁的左右侧面分别与第二长方体容腔v的左右内侧面形成第一工作气隙、第二工作气隙，上衔铁的顶部与第二长方体容腔顶部形成气隙；上衔铁的下端通过转轴与下衔铁的上端铰接，下衔铁呈矩形板结构，下衔铁可绕转轴转动的设置在第一长方体容腔内；下衔铁中部安装有沿前后方向延伸的输出轴，输出轴的前端从第五通孔穿出至铝壳外；下衔铁的底面安装有紧固螺钉，紧固螺钉的尾部向上延伸并顶紧输出轴；下衔铁的左右两侧分别设有一个沿左右方向设置的球头柱塞，第一长方体容腔的内壁与球头柱塞相对应的位置分别设有弧形凹面，球头柱塞的球头与弧形凹面相抵接；
9.所述电磁铁部件包括第一圆形轭铁、第二圆形轭铁、第一电磁线圈和第二电磁线圈，第一圆形轭铁安装在铝壳右侧的电磁铁部件容腔内，第一圆形轭铁的左端面设有第一环形凹槽，第一环形凹槽内设有第一圆柱体铁芯，第一圆柱体铁芯外绕有第一电磁线圈，第一圆形轭铁的壁面设有第一引线孔，铝壳右侧的电磁铁部件容腔壁面与第一引线孔相对应的位置设有第二引线孔；第二圆形轭铁安装在铝壳左侧的电磁铁部件容腔内，第二圆形轭铁的右端面设有第二环形凹槽，环形凹槽内设有第二圆柱体铁芯，第二圆柱体铁芯外绕有第二电磁线圈，第二圆形轭铁的壁面设有第四引线孔，铝壳左侧的电磁铁部件容腔壁面与第四引线孔相对应的位置设有第三引线孔；
10.所述下衔铁、转轴采用不导磁的金属材料制成，第一圆形轭铁、第二圆形轭铁、上衔铁采用高导磁的金属软磁材料制成；
11.所述永磁体安装在铝壳顶部的矩形沉孔内，永磁体上端充磁成n级，永磁体下端充磁成s极；所述螺堵部件包括螺堵和螺堵密封垫片，螺堵与铝壳底部的螺堵安装孔螺纹连接；螺堵安装孔的截面积大于第一长方体容腔的截面积，螺堵密封垫片设置在螺堵与第一长方体容腔之间。
12.进一步，所述铝壳的后侧面设有用于安装接线盒的第一凸台和第二凸台，铝壳的前侧表面且位于第一通孔的外围设有用于安装开关阀阀体的矩形槽。
13.进一步，所述第一圆形轭铁a、第二圆形轭铁b的壁面都设有外螺纹，第一圆形轭铁a、第二圆形轭铁b与对应的电磁铁部件容腔螺纹连接。
14.进一步，所述球头柱塞包括柱塞管、弹簧和球头，弹簧设置在柱塞管内，弹簧一端与柱塞管固定连接，弹簧另一端与球头连接，球头部分露出柱塞管外。
15.本发明的工作原理是：当其中一侧电磁线圈10a通入电流时，电磁线圈10a就会产生稳定的磁场，磁场通过通电侧圆形轭铁9a和上衔铁7形成串联的闭合磁路，闭合的磁力线穿过一定厚度的铝壳和工作气隙g1，从而驱动上衔铁7运动，直到与第二长方体容腔v2的右侧面完全贴合为止。上衔铁7向侧面的移动经转轴6带动下衔铁5以输出轴8为轴心旋转，下衔铁5旋转同时带动输出轴8旋转，输出轴8旋转即阀芯旋转。当通入电流为零时，磁场消失，由于上衔铁7处于第二长方体容腔v2的非中心位置，顶部永磁体12对其的吸力不平衡，使得上衔铁7产生向中心位置移动的趋势，直至平衡即复位；下衔铁5通过两侧的球头柱塞4a、4b
复位，当球头柱塞4a、4b随着下衔铁5旋转和轴向移动时，球头与弧面s1、s2的接触距离和方向发生改变，球头柱塞内部的压缩弹簧应力发生变化，当上衔铁7不受到电磁吸力的情况下，球头柱塞4a、4b产生的不平衡力可以使下衔铁5复位。通过对不同侧的电磁铁通电可以使下衔铁5及输出轴8由零位向顺时针或逆时针方向转动(转动幅度可达到
±
1.7
°
)，从而达到2d电液开关阀的阀芯双向转动控制的效果。
16.本发明的有益效果是：
17.1、驱动衔铁采用电励磁的方式，有效降低了采用永磁体励磁的产品由于高温退磁现象所引发的可靠性问题，适合军工及航空航天等重要场合使用。
18.2、采用螺堵密封垫片对铝壳镂空部分的底部进行密封，对铝壳正面通孔不进行密封，从而使得油液能够进入铝壳镂空部分，使其成为湿式电-机械转换器，提高了工作的可靠性。
19.3、相较于其他类型的电-机械转换器具有结构简单、零件数量较少的优点，所用圆盘型电磁铁加工方便，使得整个电-机械转换器的加工成本相对较低。
20.4、采用上下双衔铁相连接的方式，通过上衔铁的运动带动下衔铁的旋转，与单衔铁直接转动相比较，在工作气隙不变的情况下，双衔铁的连接方式增大了旋转角度；同时，上衔铁接受电磁铁的吸力通过转轴传递到下衔铁，由于转轴与输出轴存在一定距离，对该输出力矩有放大作用；此外，通过转轴将上下衔铁连接起来，可以使下衔铁在上衔铁被吸住时还能进行轴向移动，符合输出轴的运动规律。
21.5、采用球头柱塞为弹簧复位装置，与铝壳内部的两个圆弧面相配合，可以同时对下衔铁及输出轴的旋转和轴向移动进行复位，结构简单新颖；采用永磁体对上衔铁进行复位，安装灵活方便。
附图说明
22.图1为本发明的结构示意图；
23.图2为本发明的剖视图；
24.图3为本发明的衔铁装配示意图；
25.图4为本发明的上衔铁结构示意图；
26.图5为本发明的下衔铁结构示意图；
27.图6为本发明的圆形轭铁结构示意图；
28.图7为本发明的铝壳结构示意图；
29.图8a为本发明的铝壳内部剖视图；
30.图8b为上衔铁在铝壳内部容腔中的局部放大图；
31.图9a为本发明的电磁铁工作原理示意图，显示了全部通电后的磁通状况；
32.图9b为磁路的局部放大图；
33.图10为本发明的弹簧复位工作原理示意图。
34.附图标记说明：1、螺堵；2、螺堵密封垫片；3、紧固螺钉；4a、第一球头柱塞；4b、第二球头柱塞；5、下衔铁；6、转轴；7、上衔铁；8、输出轴；9a、第一圆形轭铁；9b、第二圆形轭铁；10a、第一电磁线圈；10b、第二电磁线圈；11、铝壳；12、永磁体；a1、第一环形凹槽；a2、矩形槽；c1、第一沉孔；c2、第二沉孔；c3、第三沉孔；c4、第四沉孔；c5、第五沉孔t1、第一通孔；t2、
第二通孔；t3、第三通孔；t4、第四通孔；t5、第五通孔；t6、螺堵安装孔；w1、第一引线孔；w2、第二引线孔；w3、第三引线孔；v1、第一长方体容腔；v2、第二长方体容腔；g1、第一工作气隙；g2、第二工作气隙；g3、第三工作气隙；s1、第一凹圆弧面；s2、第二凹圆弧面；l1、第一凸台；l2、第二凸台。
具体实施方式
35.下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.参照附图，一种基于拍合式电磁铁的湿式电-机械转换器，其特征在于：包括铝壳11、衔铁部件、电磁铁部件、复位弹簧部件、螺堵部件和永磁体12；
39.所述铝壳11呈矩形体结构，铝壳11顶部中央设有凹槽；铝壳11内且位于凹槽的下方设有衔铁部件容腔，衔铁部件容腔由上下连通的第二长方体容腔v2和第一长方体容腔v1组成；铝壳11内且位于第二长方体容腔v2的左右两侧分别设有一个电磁铁部件容腔即沉孔c3、c4，第二长方体容腔v2的左右两个面延伸一定厚度即到达铝壳侧面沉孔c3、c4底部；铝壳11前侧表面设有与第一长方体容腔v1连通的第五通孔t5，铝壳11底部中央设有与第二长方体容腔v2连通的螺堵安装孔t6；
40.所述衔铁部件包括输出轴8、下衔铁5、上衔铁7、转轴6和紧固螺钉3，所述上衔铁7呈矩形薄板结构，上衔铁7可沿左右方向移动地设置在第二长方体容腔v2内，上衔铁7的左右侧面分别与第二长方体容腔v2的左右内侧面形成第一工作气隙g1、第二工作气隙g2，上衔铁7的顶部与第二长方体容腔v2顶部的永磁体12形成气隙g3；上衔铁7的下端设有第四通孔t4、第三通孔t3，下衔铁5的顶部设有第二通孔t2，第四通孔t4、第三通孔t3和第二通孔t2内穿设有转轴6，上衔铁7的下端通过与下衔铁5的上端铰接；下衔铁5呈矩形板结构，下衔铁5可绕转轴6转动的设置在第一长方体容腔v1内；下衔铁5中部设有沿前后方向延伸的第一通孔t1，第一通孔t1内安装有输出轴8，输出轴8的前端从第五通孔t5穿出至铝壳11外，第五通孔t5的直径大于输出轴8的直径；下衔铁5的底面安装有紧固螺钉3，紧固螺钉3的尾部向上延伸并顶紧输出轴8；下衔铁5的左右两侧分别设有第一沉孔c1、第二沉孔c2，第一沉孔c1、第二沉孔c2分别安装有第一球头柱塞4a、第二球头柱塞4b，第一长方体容腔v1的内壁与
第一球头柱塞4a、第二球头柱塞4b相对应的位置分别设有弧形凹面，第一球头柱塞4a、第二球头柱塞4b的球头与对应的弧形凹面接触；
41.所述电磁铁部件包括第一圆形轭铁9a、第二圆形轭铁9b、第一电磁线圈10a和第二电磁线圈10b，第一圆形轭铁9a安装在铝壳11右侧的电磁铁部件容腔内，第一圆形轭铁9a的左端面设有第一环形凹槽a1，第一环形凹槽a1内设有第一圆柱体铁芯，第一圆柱体铁芯外绕有第一电磁线圈10a，第一圆形轭铁9a的壁面设有第一引线孔w1，铝壳11右侧的电磁铁部件容腔壁面与第一引线孔w1相对应的位置设有第二引线孔w2；第二圆形轭铁9b安装在铝壳11左侧的电磁铁部件容腔内，第二圆形轭铁9b的右端面设有第二环形凹槽，环形凹槽内设有第二圆柱体铁芯，第二圆柱体铁芯外绕有第二电磁线圈10b，第二圆形轭铁9b的壁面设有第四引线孔，铝壳11左侧的电磁铁部件容腔壁面与第四引线孔相对应的位置设有第三引线孔w3；所述第一圆形轭铁9a、第二圆形轭铁9b的壁面都设有外螺纹，第一圆形轭铁9a、第二圆形轭铁9b与对应的电磁铁部件容腔螺纹连接。
42.所述下衔铁5、转轴6采用不导磁的金属材料制成，第一圆形轭铁9a、第二圆形轭铁9b、上衔铁7采用高导磁的金属软磁材料制成；
43.所述永磁体12安装在铝壳11顶部的凹槽内，永磁体12上端充磁成n级，永磁体12下端充磁成s极；所述螺堵部件包括螺堵1和螺堵密封垫片2，螺堵1与铝壳11底部的螺堵安装孔螺纹连接；螺堵安装孔的截面积大于第一长方体容腔v1的截面积，螺堵密封垫片2设置在螺堵1与第一长方体容腔v1之间。
44.所述铝壳11的后侧面设有用于安装接线盒的第一凸台l1和第二凸台l2，铝壳11的前侧表面且位于第一通孔t5的外围设有用于安装开关阀阀体的矩形槽a2。
45.本发明的实施例中，所述球头柱塞4包括柱塞管、弹簧和球头，弹簧设置在柱塞管内，弹簧一端与柱塞管固定连接，弹簧另一端与球头连接，球头部分露出柱塞管外。
46.具体的工作原理为：当其中一侧电磁线圈10a通入电流时，电磁线圈10a就会产生稳定的磁场，磁场通过通电侧圆形轭铁9a和上衔铁7形成串联的闭合磁路，闭合的磁力线穿过一定厚度的铝壳和工作气隙g1，从而驱动上衔铁7运动，直到与第二长方体容腔v2的右侧面完全贴合为止。上衔铁7向侧面的移动经转轴6带动下衔铁5以输出轴8为轴心旋转，下衔铁5旋转同时带动输出轴8旋转，输出轴8旋转即阀芯旋转。当通入电流为零时，磁场消失，由于上衔铁7处于第二长方体容腔v2的非中心位置，顶部永磁体12对其的吸力不平衡，使得上衔铁7产生向中心位置移动的趋势，直至平衡即复位；下衔铁5通过两侧的球头柱塞4a、4b复位，当球头柱塞4a、4b随着下衔铁5旋转和轴向移动时，球头与弧面s1、s2的接触距离和方向发生改变，球头柱塞内部的压缩弹簧应力发生变化，当上衔铁7不受到电磁吸力的情况下，球头柱塞4a、4b产生的不平衡力可以使下衔铁5复位。通过对不同侧的电磁铁通电可以使下衔铁5及输出轴8由零位向顺时针或逆时针方向转动转动幅度可达到
±
1.7
°
，从而达到2d电液开关阀的阀芯双向转动控制的效果。
47.本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。