一种高频响低功耗气动比例阀

1.本发明涉及阀体设计技术领域，具体是一种高频响低功耗旋转式气动比例换向阀。


背景技术：

2.比例阀作为流体系统十分重要的控制元件，其性能的优劣影响着系统的控制精度和快速性。传统气动比例阀大都采用比例电磁铁加座阀的结构形式，然而由于比例电磁铁平动惯量大，响应速度往往较慢，频响也不高，而且由于磁场完全由线圈生成，功耗也较大。力矩马达加转阀的形式则可以充分发挥运动部件转动惯量小的优势，从而提高响应速度。
3.但对于传统力矩马达而言，其结构不够紧凑，控制线圈轴线指向衔铁长度方向，且被分为了两个，使得衔铁臂处还需留有放置线圈的空间，转动惯量难以进一步减小，阻碍了频响的进一步提高。此外，传统力矩马达输出力矩往往较小，为了满足控制阀的需求，体积和功耗往往也较大，在气动阀体积和功耗不断减小，频响不断提高的今天，传统力矩马达已难以满足直驱式气动比例阀的性能要求。


技术实现要素：

4.本发明旨在提出一种具有结构简单紧凑、运动惯量小、输出力矩大、由单个线圈驱动的力矩马达以及由该力矩马达直接驱动的高频响低功耗气动比例阀。
5.本发明由力矩马达和气动转阀两部分组成；
6.所述力矩马达为单线圈结构，包括永磁铁、导磁扼铁、上衔铁、下衔铁、上骨架、骨架柱、下骨架、激励线圈、线圈骨架、弹簧支座、弹簧板和负载弹簧。
7.所述上骨架和下骨架分别开有盲孔，骨架柱两端分别插入上、下骨架的盲孔中；激励线圈绕制在所述线圈骨架上，线圈骨架中间的通孔穿过骨架柱，被夹于上骨架和下骨架之间。
8.所述上衔铁包括衔铁臂和中间的导磁柱，所述导磁柱穿过所述骨架柱中间的通孔，同时衔铁臂设置于上骨架的凹槽中；所述下衔铁设置在下骨架的凹槽中，并与上衔铁的导磁柱下端过盈连接，同时导磁柱下端通过第一轴承与下骨架连接。
9.四个导磁扼铁贴附在激励线圈的四周，每个导磁扼铁整体呈扇柱形，并且两个相互垂直的侧面分别与上、下骨架凹槽的外壁面紧贴；四个永磁铁分别被夹在四个导磁扼铁之间；所述上衔铁的衔铁臂与下衔铁的衔铁臂呈上、下垂直交错分布，与四个导磁扼铁共形成八个工作气隙。
10.所述弹簧支座安装在上骨架的上端面，弹簧支座上装有第二轴承，用于支撑导磁柱的上端，弹簧板中间开有半圆形通孔，与导磁柱上端的半圆形轴配合，并利用止动螺钉固定。
11.四个所述负载弹簧分别放置在弹簧板的四周，通过调节弹簧板两端负载弹簧的压缩量，进而调节衔铁的初始转角。
12.所述气动转阀包括阀体、阀套、阀芯、楔形块、气阀连接件和气动接头。
13.所述阀体与阀套之间采用过盈配合，阀芯与阀套之间采用间隙密封，并通过轴承组连接。
14.所述阀芯中间开有一个半圆形直通孔和一个带螺纹的盲孔，楔形块设置于阀芯的盲孔中，并且楔形块的平侧面与阀芯半圆形直通孔的平侧面紧贴，楔形块的斜侧面与导磁柱下端的斜面紧贴；所述力矩马达与阀芯之间的传动通过楔形块的斜面与平侧面实现。
15.所述阀体上的流道与气阀连接件上的流道正对贴合，气动接头螺纹端被拧入气阀连接件的四个螺纹孔，快插端接入所要控制的气动系统。
16.本发明具有以下有益效果：
17.本发明中的力矩马达采用单线圈结构且激励线圈轴线与衔铁转动轴线重合，线圈放置在上、下衔铁之间，结构简单紧凑，易于实现力矩马达的小型化。
18.本发明中的力矩马达衔铁臂处不需要留有放置线圈的空间，可以节省衔铁臂的径向尺寸，减小转动惯量，易于实现高频响。
19.本发明中的力矩马达拥有上、下两个衔铁，上、下两衔铁共有四个衔铁臂，可以形成八个气隙。八个气隙上、下两两成对，在控制线圈的激励下，形成四对相互并联的磁路；同等功耗和尺寸下，相比传统一个衔铁，两对并联磁路的力矩马达有更大的输出力矩，因而也能以更低的功耗、更小的尺寸实现相同的输出力矩。
20.比例换向阀的阀部分为转阀结构形式，内部结构紧凑，易于减小惯量，实现高响应速度，力矩马达与转阀之间也无需偏心机构，结构更简单。整个比例换向阀运动副为转动副，并用轴承支撑运动件，使得阀的输出特性滞回更小。
附图说明
21.图1是本发明的三视图。
22.图2是本发明的四分之一剖视图。
23.图3是本发明的新型单线圈力矩马达的四分之一剖视图与除去外壳的侧视图。
24.图4是本发明的图1中a-a方向与b-b方向的剖视图。
25.图5是本发明的新型单线圈力矩马达上骨架与下骨架的四分之一剖视图。
26.图6是本发明的新型单线圈力矩马达上衔铁的结构。
27.图7是本发明的新型单线圈力矩马达导磁扼铁的结构。
28.图8是本发明的新型单线圈力矩马达爆炸示意图。
29.图9是本发明的转阀部分的爆炸示意图。
30.图10是本发明的力矩马达与阀芯之间的传动方式。
31.图11是本发明的新型单线圈力矩马达永磁体产生的磁路示意图。
32.图12是本发明的新型单线圈力矩马达激励线圈产生的磁路示意图。
33.图13是本发明的旋转式气动比例换向阀转阀部分的工作原理图。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
35.如图1、图3、图4和图5所示，本技术提供一种旋转式气动比例换向阀，整体分为力
矩马达和气动转阀两部分。其中力矩马达为新型的单线圈结构，包括永磁铁10、导磁扼铁9、上衔铁6、下衔铁7、上骨架1、骨架柱3、下骨架2、激励线圈4、线圈骨架5、第一轴承8、第二轴承12、弹簧支座11、弹簧板13、负载弹簧15、止动螺钉14、调整板16、调整螺钉17和外壳18。
36.上、下骨架分别开有盲孔，骨架柱两端分别插入上、下骨架的盲孔中。线圈被绕制在线圈骨架上，线圈骨架中间的通孔穿过骨架柱，被夹于上、下骨架之间。
37.在某一实施例中，骨架柱靠近两端的位置还分别设有密封槽，用于放置密封圈。
38.如图6所示，上衔铁呈t字形结构，分为衔铁臂601和中间的导磁柱602两部分，导磁柱穿过骨架柱中间的通孔，同时衔铁臂放入上骨架的凹槽中。下衔铁的结构与上衔铁的衔铁臂类似，其被放置在下骨架的凹槽中，并与上衔铁的导磁柱下端过盈连接在一起，同时导磁柱下端通过第一轴承与下骨架连接支撑在一起。
39.如图8所示，导磁扼铁整体呈扇柱形，四个导磁扼铁贴附在激励线圈的四周，并且两个相互垂直的侧面分别与上、下骨架凹槽的外壁面紧贴。四个永磁铁分别被夹在四个导磁扼铁之间。弹簧支座安装在上骨架的上端面，弹簧支座上装有第二轴承，用于支撑上衔铁导磁柱的上端。弹簧板中间开有半圆形通孔，与上衔铁导磁柱上端的半圆形孔配合，并利用止动螺钉固定。四个弹簧分别放置在弹簧板的四周，并通过调整板和调整螺钉来调节弹簧板两端弹簧的压缩量，进而调节衔铁的初始转角。
40.在某一实施例中，弹簧支座安装在上骨架的上端面，并有方形直口用于定位，同时上骨架上端面还开有密封槽，用于放置密封圈实现上骨架与弹簧支座之间的密封。
41.力矩马达的整个装配体被塞入外壳中，外壳与力矩马达的密封通过安装在弹簧支座侧面的密封圈实现。外壳与上骨架上开有出线孔和出线槽，激励线圈的导线从出线孔和出线槽引出。
42.如图2、图9和图10所示，气动转阀包括阀体19、阀套20、阀芯21、第三轴承22、第四轴承23、楔形块24、支撑弹簧25、紧定螺钉26、端盖27、气阀连接件28和气动接头29。阀体与阀套之间采用过盈配合，阀芯与阀套之间采用间隙密封，并通过第三轴承和第四轴承连接在一起。阀芯中间开有一个半圆形直通孔和一个带螺纹的盲孔，楔形块被塞入阀芯的盲孔中，并且楔形块的平侧面与半圆形直通孔的平侧面紧贴，楔形块的斜面与力矩马达上衔铁导磁柱下端的斜面紧贴，力矩马达下骨架与阀套之间通过定位销定位。力矩马达与阀芯之间的传动通过楔形块的斜面与平侧面实现，并在阀芯盲孔中再放入弹簧及拧入紧定螺钉顶住楔形块。考虑到导磁扼铁的可加工性，可将其分为相同的上导磁扼铁901和下导磁扼铁902，如图7所示。
43.在阀体的下端安装端盖，端盖上凸台的侧面有密封槽，凸台在顶住阀芯下端的第三轴承的同时也与阀体一同实现密封作用。阀体上的流道与气阀连接件上的流道正对贴合，由密封圈密封，并通过螺钉压紧。气动接头螺纹端被拧入气阀连接件的四个螺纹孔，快插端接入所要控制的气动系统。
44.在某一实施例中，下骨架的下端面也开有密封槽，通过外壳与阀体之间的螺栓连接，使密封槽内的密封圈压紧实现密封。
45.作为一种优选方案，某一实施例中的力矩马达上衔铁臂与下衔铁臂呈上、下垂直交错分布，与四个导磁扼铁共形成8个工作气隙。
46.作为一种优选方案，某一实施例中的力矩马达的四个永磁铁采用钕铁硼材料制
造，并且按两个相邻永磁铁相邻一侧极性相同的方式布置。
47.作为一种优选方案，某一实施例中的力矩马达的上衔铁、下衔铁、导磁扼铁由导磁材料dt4c制造。
48.作为一种优选方案，某一实施例中的气动转阀阀体采用刚度较小的塑料制造，阀套采用刚度较大的不锈钢制造。
49.在本发明中，新型单线圈力矩马达具有与传统力矩马达不同的磁路，线圈产生的磁通沿上衔铁导磁柱向上，到达导磁柱上端时，分成两条支路分别沿两边衔铁臂走，支路磁通走到衔铁臂端部时，再次分成两条支路，分别穿过衔铁臂的两个侧面进入两边的导磁扼铁中，随后上衔铁臂的两端共四条支路磁路，沿着四个导磁扼铁分别从下衔铁臂的两端四个侧面进入下衔铁，最终沿着下衔铁回到上衔铁导磁柱中，从而形成闭环，如图12所示。
50.相邻两个永磁铁的相邻端面，由于磁极相同，发出的磁通通过导磁扼铁分别向上、向下依次穿过衔铁臂两侧的工作气隙回到各自的另一极，如图11所示。因此激励线圈在衔铁臂两侧工作气隙处产生的磁通方向是相反，而永磁铁产生的磁通方向是相同的。所以线圈产生的磁通和永磁体产生的磁通在一侧工作气隙处是相互叠加，在另一侧工作气隙处相互抵消，从而产生磁通差，使衔铁臂端部受到指向磁通更大一侧的电磁力，在四个衔铁臂受到的相同转向的电磁力作用下，产生使衔铁向指定方向转动的电磁力矩。
51.正是因为基于上述的磁路设计，使得激励线圈轴线才不必沿衔铁臂长度方向布置，衔铁臂才可以被放置在激励线圈的上、下两端，从而实现线圈轴线与转轴轴线的重合，使整体结构更为紧凑，同时可以设置两个衔铁，提高输出力矩。而上、下衔铁的垂直交错布置，以及本发明中永磁铁的排列方式，使得基于所述磁路的力矩马达四个衔铁臂的电磁力指向同一转向，力矩马达才能有力矩输出，才能支撑所述磁路方案的可行性。
52.本发明的旋转式气动比例换向阀工作原理如下：
53.激励线圈未通电时，衔铁在弹簧机构的作用下处在工作气隙的中间位置，转阀阀芯处在中位，p口和t口关闭，a、b口无气体流动，弹簧机构的结构如图4中a-a视图所示。此时力矩马达导中只有永磁铁产生的偏置磁通，磁路如图11所示。当激励线圈被通入正向电流时，力矩马达导磁零件中出现控制磁通如图12所示，控制磁通和偏置磁通在工作气隙处合成总磁通，并产生电磁力驱动上、下衔铁向逆时针方向转动。由于新型单线圈力矩马达存在上、下共八个工作气隙ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ、
ⅴ
、ⅵ、ⅶ、
ⅷ
，从而在相同电流下，有比传统力矩马达更大的输出力矩。在楔形块、弹簧、紧定螺钉的传动下，阀芯也跟着转动，最终电磁力矩与弹簧机构的负载力矩平衡，阀芯处在图13中
①
的工作状态，此时气阀p口与a口连通，b口与t口连通，入口的高压气体从p口进入气阀，从a口离开气阀进入所控制的气动系统，驱动气动执行器工作。然后气体再由执行器的出口流出，从b口进入气阀，最后从t口离开气阀回到气腔或排向大气。通过调节输入力矩马达的电流大小即可调节流过工作口a、b口的流量大小，从而调节气动执行器的运动速度。
54.当激励线圈被通入反向电流时，同理，力矩马达中将产生反向的控制磁通，并与永磁铁磁通合成总磁通，产生驱动衔铁顺时针运动的反向驱动力矩，从而驱使阀芯处在图13中
②
的工作状态，此时，入口的气体从p口进入，从b口离开气阀并驱动气动执行器回到原状态。然后气体由执行器的出口流出，从a口进入气阀，最后从t口离开气阀回到气腔或排向大气。同样，调节电流大小即可调节流量大小。
55.综上，本发明从创新力矩马达的结构和磁路方面入手，通过提高力矩马达的紧凑性和输出力矩，并采用力矩马达直接驱动转阀的方式，无需偏心机构，结构简单，从而可以实现气动比例换向阀小型化和低功耗的目标。相比传统换向阀普遍采用的滑阀结构，转阀内部简单紧凑，运动方式为转动，惯量小，易于实现快速响应特性。
56.最后，还需要注意的是，以上列举的只是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种高频响低功耗气动比例阀，其特征在于：由力矩马达和气动转阀两部分组成；所述力矩马达为单线圈结构，包括永磁铁、导磁扼铁、上衔铁、下衔铁、上骨架、骨架柱、下骨架、激励线圈、线圈骨架、弹簧支座、弹簧板和负载弹簧；所述上骨架和下骨架分别开有盲孔，骨架柱两端分别插入上、下骨架的盲孔中；激励线圈绕制在所述线圈骨架上，线圈骨架中间的通孔穿过骨架柱，被夹于上骨架和下骨架之间；所述上衔铁包括衔铁臂和中间的导磁柱，所述导磁柱穿过所述骨架柱中间的通孔，同时衔铁臂设置于上骨架的凹槽中；所述下衔铁设置在下骨架的凹槽中，并与上衔铁的导磁柱下端过盈连接，同时导磁柱下端通过第一轴承与下骨架连接；四个导磁扼铁贴附在激励线圈的四周，每个导磁扼铁整体呈扇柱形，并且两个相互垂直的侧面分别与上、下骨架凹槽的外壁面紧贴；四个永磁铁分别被夹在四个导磁扼铁之间；所述上衔铁的衔铁臂与下衔铁的衔铁臂呈上、下垂直交错分布，与四个导磁扼铁共形成八个工作气隙；所述弹簧支座安装在上骨架的上端面，弹簧支座上装有第二轴承，用于支撑导磁柱的上端，弹簧板中间开有半圆形通孔，与导磁柱上端的半圆形轴配合，并利用止动螺钉固定；四个所述负载弹簧分别放置在弹簧板的四周，通过调节弹簧板两端负载弹簧的压缩量，进而调节衔铁的初始转角；所述气动转阀包括阀体、阀套、阀芯、楔形块、气阀连接件和气动接头；所述阀体与阀套之间采用过盈配合，阀芯与阀套之间采用间隙密封，并通过轴承组连接；所述阀芯中间开有一个半圆形直通孔和一个带螺纹的盲孔，楔形块设置于阀芯的盲孔中，并且楔形块的平侧面与阀芯半圆形直通孔的平侧面紧贴，楔形块的斜侧面与导磁柱下端的斜面紧贴；所述力矩马达与阀芯之间的传动通过楔形块的斜面与平侧面实现；所述阀体上的流道与气阀连接件上的流道正对贴合，气动接头螺纹端被拧入气阀连接件的四个螺纹孔，快插端接入所要控制的气动系统。2.根据权利要求1所述的气动比例换向阀，其特征在于：还包括调整板和调整螺钉，通过调整板和调整螺钉来调节弹簧板两端负载弹簧的压缩量。3.根据权利要求1所述的气动比例换向阀，其特征在于：所述下骨架与阀套之间通过定位销定位。4.根据权利要求1至3中任一项所述的气动比例换向阀，其特征在于：四个永磁铁采用钕铁硼材料制造，并且按两个相邻永磁铁相邻一侧极性相同的方式布置。5.根据权利要求4所述的气动比例换向阀，其特征在于：所述上衔铁、下衔铁、导磁扼铁由导磁材料dt4c制造。6.根据权利要求1所述的气动比例换向阀，其特征在于：在所述阀芯盲孔中还设置有支撑弹簧及紧定螺钉，用于顶住楔形块。7.根据权利要求1所述的气动比例换向阀，其特征在于：在所述阀体的下端安装端盖，端盖上凸台的侧面有密封槽，凸台在顶住阀芯下端轴承的同时，也与阀体一同实现密封作用。

技术总结
本发明公开了一种高频响低功耗气动比例阀。本发明由力矩马达和气动转阀两部分组成；所述力矩马达包括永磁铁、导磁扼铁、上衔铁、下衔铁、上骨架、骨架柱、下骨架、激励线圈、线圈骨架、弹簧支座、弹簧板和负载弹簧。本发明中的力矩马达采用单线圈结构且激励线圈轴线与衔铁转动轴线重合，线圈放置在上、下衔铁之间，结构简单紧凑，易于实现力矩马达的小型化。本发明中的力矩马达拥有上、下两个衔铁，上、下两衔铁共有四个衔铁臂，可以形成八个气隙。八个气隙上、下两两成对，在控制线圈的激励下，形成四对相互并联的磁路；同等功耗和尺寸下，两对并联磁路的力矩马达有更大的输出力矩，因而也能以更低的功耗、更小的尺寸实现相同的输出力矩。更小的尺寸实现相同的输出力矩。更小的尺寸实现相同的输出力矩。


技术研发人员：刘硕 付思豪 马佳杰 蔡勇 陈瑜 孙智勇 林王林
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/9/7