耐高壓低慣量直動式電-機械轉換器的製作方法
2023-09-23 20:23:05 3
專利名稱：耐高壓低慣量直動式電-機械轉換器的製作方法
技術領域：
本發明屬於流體傳動及控制領域中電液數字閥用的電能-機械能 轉換機構，尤其涉及一種耐高壓低慣量直動式電-機械轉換器。
背景技術：
閥用電-機械轉換器按照銜鐵工作腔是否有油液進入可以分為幹 式和溼式兩種，後者與前者相比，由於其結構上的耐高壓特性而允許 銜鐵工作時可以浸在油液中，從而具有散熱好，摩擦小，換向和復位 時衝擊噪聲小，工作平穩和壽命長的優點，因此應用日益廣泛。
常規的電液數字閥用電-機械轉換器為按照交流伺服方式控制的 混合式步進電機，其控制線圈與轉子工作腔之間並無密封耐高壓結構， 油液一旦進入工作腔，控制線圈將直接浸在油液中從而導致電機的損
壞，因而無法在溼式狀態下工作；另外，為了實現從步進電機的旋轉 運動到數字閥閥芯直線運動的轉換，必須在電機和液壓閥閥體之間增 加絲槓或凸輪等機械轉換環節，而機械轉換環節的存在帶來了一系列 的間隙、摩擦和磨損問題，導致控制上未知的死區和零點漂移；再者， 常規的混合式步進電機的轉子為實心矽鋼片疊壓而成，其轉動慣量大， 響應速度較慢，從而限制了閥以至整個電液伺服系統的頻寬，因而對 於需要快速動態響應的使用場合，並不適用.
發明內容
為了克服已有電液數字閥用電-機械轉換器的無密封耐高壓結構、 無法在溼式狀態下工作以及存在機械轉換環節的不足，本發明提供一種可直接和數字閥閥芯相連、具有良好的耐高壓特性、適應溼式狀態 下工作的耐高壓低慣量直動式電-機械轉換器。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是
一種耐高壓低慣量直動式電-機械轉換器，包括軛鐵部件、銜鐵部 件、前端蓋和後端蓋，所述軛鐵部件位於銜鐵部件的外側，所述銜鐵 部件包括銜鐵和推桿，銜鐵安裝在推桿上，所述推桿的一端安裝在前 端蓋上，所述軛鐵部件包括第一軛鐵、第二軛鐵、第三軛鐵、第四軛 鐵、第一隔磁環、第二隔磁環、第一控制線圈、第二控制線圈和永磁 體，所述第一軛鐵、第二軛鐵、第三軛鐵、第四軛鐵均呈半開口狀， 所述第一軛鐵、第二軛鐵、第三軛鐵、第四軛鐵均布置在銜鐵外圈， 所述第一軛鐵和第二軛鐵的開口相對並形成第一空腔，第一隔磁環位 於所述第一空腔內，所述第一控制線圈環繞在第一隔磁環上組成電流 勵磁的一相；所述第三軛鐵和第四軛鐵的開口相對並形成第二空腔， 所述第二隔磁環位於所述第二空腔內，所述第二控制線圈環繞在第二 隔磁環上組成電流勵磁的另一相；所述永磁體位於所述第二軛鐵和第 三軛鐵之間且被軸向磁化成N極和S極；所述第一軛鐵、第二軛鐵、 第三軛鐵、第四軛鐵的內圓周面均開有軸向均勻分布的多個小齒，其
齒寬和槽寬相等，且四個軛鐵的齒數相同；第一軛鐵和第二軛鐵之間
的距離和第三軛鐵和第四軛鐵之間的距離相等，且第一軛鐵和第二軛
鐵之間的距離為齒距的整數倍；永磁體的軸向尺寸為齒距的(K-1/4) 倍，K為任意正整數；所述銜鐵的外圓周面上開有軸向均勻分布的多 個小齒，齒寬等於槽寬，其齒距要求和軛鐵的齒距相等；所述第一隔 磁環與所述第一軛鐵、第二軛鐵均密封連接；所述第二隔磁環與所述第三軛鐵、第四軛鐵均密封連接，所述第一軛鐵的側壁與所述後端蓋 密封連接，所述第四軛鐵的側壁與所述前端蓋密封連接。
作為優選的一種方案，所述第一隔磁環的內面開有第一環形凹槽 和第二環形凹槽，所述第一環形凹槽內裝密封圈並與第一軛鐵接觸；
所述第二環形凹槽內裝密封圈並與第二軛鐵接觸；所述第二隔磁環的
內面開有第三環形凹槽和第四環形凹槽，所述第三環形凹槽內裝密封
圈並與第三軛鐵接觸；所述第四環形凹槽內裝密封圈並與第四軛鐵接 觸；所述第二軛鐵的側壁開有第五環形凹槽，所述第三軛鐵的側壁開 有第六環形凹槽，所述第五環形凹槽內裝密封圈並與所述永磁體的側 壁接觸，所述第六環形凹槽內裝密封圈並與所述永磁體的另一側壁接 觸；所述前端蓋內壁開有第七環形凹槽，所述後端蓋的內壁開有第八 環形凹槽，所述第七環形凹槽內裝密封圈並與所述第四軛鐵接觸，所 述第八環形凹槽內裝密封圈並與所述第一軛鐵接觸。
進一步，所述的推桿通過直線軸承支撐在前端蓋中。
再進一步，所述的銜鐵為空心杯形狀。
所述的前端蓋、後端蓋、第一隔磁環、第二隔磁環和推桿均為不 導磁材料製成的非導磁體；所述第一軛鐵、第二軛鐵、第三軛鐵、第 四軛鐵和空心杯銜鐵均為軟磁材料製成的導磁體。
本發明的有益效果主要表現在1、採用了簡單可靠的耐高壓結構， 使得系統具備在溼式狀態下工作的能力；2、取消了機械轉換環節，電 -機械轉換器可直接和閥芯相連，避免了由於機械轉換環節的間隙、摩 擦和磨損而帶來的控制誤差；3、銜鐵運動慣量小，頻響高，響應速度 快，動態性能好；4、換向和復位時衝擊和噪聲小，工作穩定；5、控制線圈溫升低，系統壽命長；6、運動零部件摩擦小，潤滑性能好，有
利於長期保持精度。
圖1為本發明的結構原理示意圖。
圖2為本發明的結構尺寸示意圖。 圖3a， 3b， 3c， 3d和3e為本發明的工作原理示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步描述。
參照圖l 圖3e， 一種耐高壓低慣量直動式電-機械轉換器，包括 軛鐵部件、銜鐵部件、前端蓋16和後端蓋1，所述軛鐵部件位於銜鐵 部件的外側，所述銜鐵部件包括空心杯形狀的銜鐵4和可與閥芯直接 連接的推桿5，空心杯銜鐵4安裝在推桿5上，所述推桿5的一端通 過直線軸承17支撐在前端蓋16上，所述軛鐵部件包括第一軛鐵2、 第二軛鐵10、第三軛鐵12、第四軛鐵14、第一隔磁環7、第二隔磁環 20、第一控制線圈8、第二控制線圈13和永磁體11，所述第一軛鐵2、 第二軛鐵IO、第三軛鐵12、第四軛鐵14均呈半開口狀，所述第一軛 鐵2、第二軛鐵10、第三軛鐵12、第四軛鐵14均布置在銜鐵外圈， 所述第一軛鐵2和第二軛鐵10的開口相對並形成第一空腔，第一隔磁 環7位於所述第一空腔內，所述第一控制線圈8環繞在第一隔磁環7 上組成電流勵磁的一相；所述第三軛鐵12和第四軛鐵14的開口相對 並形成第二空腔，所述第二隔磁環20位於所述第二空腔內，所述第二 控制線圈13環繞在第二隔磁環20上組成電流勵磁的另一相；所述永 磁體11位於所述第二軛鐵10和第三軛鐵12之間且被軸向磁化成N極和S極；所述第一軛鐵2、第二軛鐵10、第三軛鐵12、第四軛鐵 14的內圓周面均開有軸向均勻分布的多個小齒，其齒寬和槽寬相等，
且四個軛鐵的齒數相同；為實現連續運動，第一軛鐵2和第二軛鐵10 之間的距離、第三軛鐵12和第四軛鐵14之間的距離SK必須相等，且 要求為齒距Pt的整數倍；永磁體11的軸向尺寸GK要求為齒距Pt的 (K-1/4)倍，K為任意正整數；所述第一隔磁環7與所述第一軛鐵2、 第二軛鐵10均密封連接；所述第二隔磁環20與所述第三軛鐵12、第 四軛鐵14均密封連接，所述第一軛鐵2的側壁與所述後端蓋1密封連 接，所述第四軛鐵14的側壁與所述前端蓋16密封連接。
所述第一隔磁環7的內面開有第一環形凹槽和第二環形凹槽，所 述第一環形凹槽內裝密封圈並與第一軛鐵2接觸；所述第二環形凹槽 內裝密封圈並與第二軛鐵IO接觸；所述第二隔磁環20的內面開有第 三環形凹槽和第四環形凹槽，所述第三環形凹槽內裝密封圈並與第三 軛鐵12接觸；所述第四環形凹槽內裝密封圈並與第四軛鐵14接觸； 所述第二軛鐵10的側壁開有第五環形凹槽，所述第三軛鐵12的側壁
開有第六環形凹槽，所述第五環形凹槽內裝密封圈並與所述永磁體11 的側壁接觸，所述第六環形凹槽內裝密封圈並與所述永磁體11的另一
側壁接觸；所述前端蓋16內壁開有第七環形凹槽，所述後端蓋1的內 壁開有第八環形凹槽，所述第七環形凹槽內裝密封圈並與所述第四軛 鐵14接觸，所述第八環形凹槽內裝密封圈並與所述第一軛鐵2接觸。
本實施例以電-機械轉換器每個軛鐵上均勻分布3個齒、銜鐵上均 勻分布15個齒的結構為例，結合附圖對本發明作進一步說明。
如圖1和圖2所示，本發明包括第一軛鐵2、第二軛鐵IO、第三軛鐵12、第四軛鐵14、第一隔磁環7、第二隔磁環20、第一控制線圈 8、第二控制線圈13、永磁體ll、空心杯銜鐵4、推桿5、前端蓋16、 後端蓋1和密封圈9、 3、 6、 22、 21、 19、 18、 15;第一軛鐵2和第 二軛鐵10的開口相對並形成第一空腔，內置第一隔磁環7，第一控制 線圈8環繞在第一隔磁環7上組成電流勵磁的一相，第三軛鐵12和第 第四軛鐵14的開口相對並形成第二空腔，內置第二隔磁環20，第二 控制線圈13環繞在第二隔磁環20上組成電流勵磁的另一相，永磁體 11被放置在第二軛鐵IO和第三軛鐵12的中間且被軸向磁化成N極和 S級。
當有油液進入銜鐵工作腔時，第二軛鐵10和第三軛鐵12的外側 各開有一個環形凹槽用來放置第五密封圈22、第六密封圈21，前端蓋 16和後端蓋1的內側各開有一個環形凹槽用來放置第七密封圈15、第 八密封圈9，以防止油液從電-機械轉換器零部件之間的配合間隙中洩 漏出來；第一隔磁環7、第二隔磁環20內孔各開有一對左右均布的環 形凹槽，用來放置第一密封圈3、第二密封圈6、第三密封圈19、第 四密封圈18，使得控制線圈8、 13與充滿油液的銜鐵工作腔相隔離； 上述的耐高壓結構簡單可靠，容易實現，從而使得系統具有了在溼式 狀態下工作的能力。
第一軛鐵2、第二軛鐵10、第三軛鐵12、第四軛鐵14的內圓周 面均開有軸向均勻分布的小齒，其齒寬和槽寬相等，且四個軛鐵的齒 數相同；如果不受機械加工的限制，齒數越多，電-機械轉換器的響應 速度越高，動態性能越好，非線性誤差越小，其多極式分級控制的特 性越明顯。
為取得高的動態響應，設計了空心杯形狀的銜鐵4與推桿5相配合，其外圓周面上開有軸向均勻分布的、齒寬和槽寬相等的轉子齒，
其齒距要求和軛鐵的齒距相等，均為Pt;整個銜鐵部件通過直線軸承 17支撐在前端蓋16中，可繞中心軸線轉動。
為滿足永磁極化磁通和電流控制磁通的要求，前端蓋16、後端蓋 1、第一隔磁環7、第二隔磁環20和推桿5均為非導磁材料製成的非 導磁體，第一軛鐵2、第二軛鐵IO、第三軛鐵12、第四軛鐵14和空 心杯銜鐵4均為軟磁材料製成的良導磁體；為加強散熱，降低第一控 制線圈8、第二控制線圈13的溫升，第一隔磁環7、第二隔磁環20 的材料還應有良好的導熱性能。
如圖2所示，為實現電-機械轉換器的連續運動，第一軛鐵2和第 二軛鐵10之間的距離、第三軛鐵12和第四軛鐵14之間的距離必須相 等，以Sk來表示該距離，Sk必須為齒距Pt的整數倍，從而可保證第 一軛鐵2的齒和銜鐵的齒對齊時，第二軛鐵10的齒中心正好對著銜鐵 齒槽的中心；永磁體11的軸向尺寸GK要求保持為齒距Pt的(K-1/4) 倍，K為任意正整數，從而保證第一軛鐵2的齒和銜鐵的齒對齊時， 第三軛鐵12和第四軛鐵14的齒中心分別都正好處在銜鐵齒中心和槽 中心之間，為電-機械轉換器下一步運動做好位置準備。
本實施例的工作原理如圖3a所示，第一軛鐵2、第二軛鐵IO、 第三軛鐵12、第四軛鐵14分別和空心杯銜鐵4形成四段有效工作氣 隙；以各極下磁力線分布的疏密程度來表示所受磁力的大小，當第二 控制線圈13、第一控制線圈8不通電流的時候，各極下工作氣隙內只 有永磁體產生的極化磁場，此時整個永磁磁路的總磁導與轉子位置無 關，電-機械轉換器不產生推力；令圖3a所示的銜鐵位置為初始位置， 當第二控制線圈13、第一控制線圈8通入如圖3b所示②方向(沿紙面向裡)的電流時，電流控制磁場與永磁極化磁場在各極下的工作氣 隙中相互疊加，其中第二軛鐵10和第三軛鐵12下控制磁場與永磁極
化磁場方向相同，磁場強度相互疊加而增強；第一軛鐵2和第四軛鐵 14下電流磁場與永磁極化磁場方向相反，磁場強度相互抵消而減弱， 空心杯銜鐵4受到向右的推力移動l/4個齒距而處於圖3b所示的位置， 此時整個磁路磁導達到最大，銜鐵處於穩定平衡位置；當第二控制線 圈13通入〇方向(沿紙面向外)的電流而第一控制線圈8的電流方向 不變時，第二軛鐵10和第四軛鐵14下磁場強度相互疊加而增強；第 一軛鐵2和第三軛鐵12下磁場強度相互抵消而減弱，空心杯銜鐵4 繼續受到向右的推力移動1/4個齒距而處於圖3c所示的位置，此時整 個磁路磁導達到最大，銜鐵處於穩定平衡位置；同理當第二控制線圈 13和第一控制線圈8都通入0方向的電流時，第一軛鐵2和第四軛鐵 14下磁場強度相互疊加而增強，第二軛鐵10和第三軛鐵12下磁場強 度相互抵消而減弱，空心杯銜鐵4受到向右的推力再移動1/4個齒距 而處於圖3d所示的位置；當第二控制線圈13通入②方向電流而第一 控制線圈8通入0方向電流時，第一軛鐵2和第三軛鐵12下磁場強度 相互疊加而增強，第二軛鐵10和第四軛鐵14下磁場強度相互抵消而 減弱，空心杯銜鐵4受到向右的推力移動1/4個齒距而處於圖3e所示 的位置。比較圖3a和圖3e可以看到，在電流控制磁場和永磁極化磁 場的差動疊加下，每經過四種通電方式變化，銜鐵就會移過一個齒距。 重複上述通電方式，銜鐵就會以1/4齒距的步距向右連續步進運動下 去；改變通電方式，也可以實現銜鐵的反方向運動；倘若兩個控制線 圈同時通入相位差為90度的正弦波電流，則可實現銜鐵的平滑均勻的 連續運動。上述具體實施方式
用來解釋本發明，而不是對本發明進行限制， 在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明作出的任何修改 和改變，都落入本發明的保護範圍。
權利要求
1、一種耐高壓低慣量直動式電-機械轉換器，包括軛鐵部件、銜鐵部件、前端蓋和後端蓋，所述軛鐵部件位於銜鐵部件的外側，所述銜鐵部件包括銜鐵和推桿，銜鐵安裝在推桿上，所述推桿的一端安裝在前端蓋上，其特徵在於所述軛鐵部件包括第一軛鐵、第二軛鐵、第三軛鐵、第四軛鐵、第一隔磁環、第二隔磁環、第一控制線圈、第二控制線圈和永磁體，所述第一軛鐵、第二軛鐵、第三軛鐵、第四軛鐵均呈半開口狀，所述第一軛鐵、第二軛鐵、第三軛鐵、第四軛鐵均布置在銜鐵外圈，所述第一軛鐵和第二軛鐵的開口相對並形成第一空腔，第一隔磁環位於所述第一空腔內，所述第一控制線圈環繞在第一隔磁環上組成電流勵磁的一相；所述第三軛鐵和第四軛鐵的開口相對並形成第二空腔，所述第二隔磁環位於所述第二空腔內，所述第二控制線圈環繞在第二隔磁環上組成電流勵磁的另一相；所述永磁體位於所述第二軛鐵和第三軛鐵之間且被軸向磁化成N極和S極；所述第一軛鐵、第二軛鐵、第三軛鐵、第四軛鐵的內圓周面均開有軸向均勻分布的多個小齒，其齒寬和槽寬相等，且四個軛鐵的齒數相同；第一軛鐵和第二軛鐵之間的距離和第三軛鐵和第四軛鐵之間的距離相等，且第一軛鐵和第二軛鐵之間的距離為齒距的整數倍；永磁體的軸向尺寸為齒距的(K-1/4)倍，K為任意正整數；所述銜鐵的外圓周面上開有軸向均勻分布的多個小齒，齒寬等於槽寬，其齒距要求和軛鐵的齒距相等；所述第一隔磁環與所述第一軛鐵、第二軛鐵均密封連接；所述第二隔磁環與所述第三軛鐵、第四軛鐵均密封連接，所述第一軛鐵的側壁與所述後端蓋密封連接，所述第四軛鐵的側壁與所述前端蓋密封連接。
2、 如權利要求1所述的耐高壓低慣量直動式電-機械轉換器，其特徵 在於所述第一隔磁環的內面開有第一環形凹槽和第二環形凹槽，所 述第一環形凹槽內裝密封圈並與第一軛鐵接觸；所述第二環形凹槽內 裝密封圈並與第二軛鐵接觸；所述第二隔磁環的內面開有第三環形凹 槽和第四環形凹槽，所述第三環形凹槽內裝密封圈並與第三軛鐵接觸； 所述第四環形凹槽內裝密封圈並與第四軛鐵接觸；所述第二軛鐵的側 壁開有第五環形凹槽，所述第三軛鐵的側壁開有第六環形凹槽，所述 第五環形凹槽內裝密封圈並與所述永磁體的側壁接觸，所述第六環形 凹槽內裝密封圈並與所述永磁體的另一側壁接觸；所述前端蓋內壁開 有第七環形凹槽，所述後端蓋的內壁開有第八環形凹槽，所述第七環 形凹槽內裝密封圈並與所述第四軛鐵接觸，所述第八環形凹槽內裝密 封圈並與所述第一軛鐵接觸。
3、 如權利要求1或2所述的耐高壓低慣量直動式電-機械轉換器，其 特徵在於所述的推桿通過直線軸承支撐在前端蓋中。
4、 如權利要求3所述的耐高壓低慣量直動式電-機械轉換器，其特徵 在於所述的銜鐵為空心杯形狀。
5、 如權利要求3所述的耐高壓低慣量直動式電-機械轉換器，其特徵 在於所述的前端蓋、後端蓋、第一隔磁環、第二隔磁環和推桿均為 不導磁材料製成的非導磁體；所述第一軛鐵、第二軛鐵、第三軛鐵、 第四軛鐵和空心杯銜鐵均為軟磁材料製成的導磁體。
全文摘要
一種耐高壓低慣量直動式電-機械轉換器，包括軛鐵部件、銜鐵部件、前端蓋和後端蓋，第一軛鐵、第二軛鐵、第三軛鐵、第四軛鐵均呈半開口狀，且均布置在銜鐵外圈，第一軛鐵和第二軛鐵的開口相對並形成第一空腔，第一隔磁環位於所述第一空腔內，第一控制線圈環繞在第一隔磁環上；第三軛鐵和第四軛鐵的開口相對並形成第二空腔，第二隔磁環位於所述第二空腔內，第二控制線圈環繞在第二隔磁環上；永磁體位於第二軛鐵和第三軛鐵之間；各個隔磁環與軛鐵的連接處、以及第一軛鐵的側壁與後端蓋、第四軛鐵的側壁與前端蓋均密封連接。本發明可直接和數字閥閥芯相連、具有良好的耐高壓特性、適應溼式狀態下工作。
文檔編號H02K37/24GK101527492SQ20091009709
公開日2009年9月9日 申請日期2009年4月1日 優先權日2009年4月1日
發明者彬 孟, 彤 邢, 健 阮, 魯立中 申請人:浙江工業大學