专利名称：磁性促动器和包括该促动器的阀的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁性促动器，特别用在磁性阀中。更具体地说，本发明涉及可以用在借助直流电(DC)驱动的阀中的磁性促动器，以及借助交流电(AC)驱动的阀中的磁性促动器。
背景技术：
在磁性DC阀中，已经知道将静止部件和移动部件塑形，以使其中一个部件包括凸起部件而另一个部件包括凹部，该凹部确定形状和位置，从而在促动器操作过程中接收凸起部件。所述形状通常用来在气隙较大时增加吸引力，而在气隙较小时减小吸引力。从而在阀的整个工作范围内获得更为均匀的吸引力。 因此，US6， 619， 612公开了一种DC阀，该阀包括磁性促动器，其中静止部件设置有
居中布置的销，而移动部件设置有凹部，该凹部适配成在促动器操作时接收静止部件的销。
该促动器通过向布置在促动器周围的线圈提供DC电流而工作。电流在线圈内感生出磁场，
并且移动部件因磁场存在而向静止部件移动。切断DC电流供应则导致移动部件向远离静
止部件的方向移动。移动部件的运动取决于感生磁场的强度，因而取决于供应给线圈的电
流。移动部件的运动导致阀元件相对于阀座移动，即导致阀打开或关闭。 如果US6，619，612所示的促动器应用于AC场合，则移动部件将因为向线圈提供了
交变电流而振荡。这样会导致移动部件以所供应的电流的频率反复撞击静止部件。这样会
导致噪音水平较高而且阀的磨损程度较高。这是非常不希望看到的情形。 如上所述，有时在AC阀中，噪音水平高以及阀的磨损程度高也是一个问题。为了
克服这些问题，几乎全部AC阀都设置了导电材料制成的环，该环提供第二磁场，第二磁场
的相位不同于用来移动移动部件的主磁场的相位。第二磁场的存在确保了总磁场力不会变
成零。该总磁场力的幅值能将移动部件和静止部件保持在一起。因此，在磁性阀设置有偏压
弹簧的情况下，总磁场力应该高于偏压弹簧的力。因此，来源于移动部件反复撞击静止部件
的噪音和磨损得以减小。上述的环通常称为屏蔽环，例如在JP101 03 556中示出。但是，
如果JPIOI 03 556所示的磁性促动器应用在DC场合，则操作促动器所需的功率将变得非
常高，特别是在气隙相对较大的情况下。 在US2，990， 155中也示出了屏蔽环，但是文中示出的以导磁材料制成的渐縮凸起在电磁线圈管固定端导磁材料中并不具有对应凹部。因此，如果US2， 990， 155所示的磁性促动器应用于DC场合，则操作促动器所需的功率将因存在至少与屏蔽环高度一样宽的气隙而变得非常高，导致较高的磁阻。
发明内容
因此，本发明的目标是提供一种磁性促动器，该促动器适合用于DC场合以及AC场合。 本发明进一步的目标是提供一种磁性促动器，较之现有技术中类似磁性促动器而言，在气隙较大时，移动力增大。
本发明进一步的目标是提供一种磁性促动器，较之现有技术中类似磁性促动器而言，噪音水平降低。 本发明进一步的目标是提供一种磁性促动器，较之现有技术中类似磁性促动器而言，在操作过程中促动器上的磨损减小。 本发明进一步的目标是提供一种磁性阀，该磁性阀可以应用于DC场合以及AC场合。 根据本发明的第一方面，上述目标以及其他目标通过提供一种磁性促动器来实现，该促动器包括 以导磁材料制成的静止部件；
以导磁材料制成的移动部件； 相对于移动部件圆周布置的线圈，以使移动部件可以根据电流流过线圈时感生出
的磁场而相对于静止部件移动；禾口 布置在静止部件或移动部件上的屏蔽环， 其中所述静止部件和移动部件塑形地让静止部件和移动部件其中之一设置有凸起部件，而静止部件和移动部件其中另一设置有对应凹部，该凹部适配成接收该凸起部件。
在本文中，术语"静止部件"应该理解为相对于促动器所处应用场合基本上保持静止的促动器部件。因此，静止部件不需要对地静止，而是可以允许随着促动器所处应用场合而移动。例如，如果应用场合定位在移动车辆上，则静止部件通常随着车辆移动，但是并不相对于车辆移动。 移动部件相对于静止部件移动。此外，向线圈提供电流导致移动部件相对于静止部件移动，并且这种运动导致促动器进行期望的操作。 静止部件以及移动部件用导磁材料制作，诸如铁磁材料，例如Wl. 4105或者AISI430。 线圈相对于移动部件圆周布置。此外，线圈布置成让移动部件根据电流通过线圈而感生的磁场来运动。优选，移动部件布置在线圈内侧。向线圈施加电流时，根据安培定律感生出磁场。从而，静止部件以及移动部件将组成电磁铁，并且彼此面对的端部部件将相应地彼此吸引，从而导致移动部件运动。 磁性促动器设置有屏蔽环，屏蔽环布置在静止部件或移动部件上。在AC电流提供给线圈从而如上所述那样感生磁场时，交变磁场在屏蔽环上感生出电流，从而形成第二磁场。第二磁场的相位不同用于用来移动移动部件的主磁场的相位。从而，保证了总磁场力不会变成零。从而，在向线圈提供AC电流时，屏蔽环防止移动部件反复撞击静止部件，并且因这种振荡运动而可能导致的噪音和磨损显著减小。因此，本发明的磁性促动器适合用于AC场合，诸如AC阀中。 在AC电流施加到线圈时，移动部件在一些情况下移动地如此之快，以至于在感生交变磁场到达零之前，移动部件移动到静止部件。屏蔽环则将移动部件保持在该位置。在另一些情况下，移动部件移动地有点慢，并且交变磁场将导致移动部件向静止部件的移动呈步进式。 此外，静止部件和移动部件塑形地让其中之一设置有凸起部件，而另一设置有对应凹部，该凹部适配成接收该凸起部件。凸起部件可以设置在静止部件上，在这种情况下，凹部设置在移动部件上。或者，凸起部件可以设置在移动部件上，在这种情况下，凹部设置在静止部件上。当磁性促动器操作时，移动部件相对于静止部件移动，凸起部件和凹部发生相对运动。这样产生的结果是移动部件和静止部件之间的最小距离在这种相对运动过程中不会显著变化，即最小距离保持在相对较低的水平，即使静止部件和移动部件之间存在相对较大的"气隙"。从而，较之未设置凸起部件和对应凹部且以相同功率水平操作的类似促动器来说，促动器可以提供显著更大的吸引力，部分原因是移动部件和静止部件之间的区域内的磁通量损失最小，但是原因也在于磁场力在移动方向上的分量可以保持在相对较高的水平。特别是在"气隙"相对较大时，就是这种情况。因此，通过本发明的促动器，可以获得较大的吸引力，而不需增大必要功率水平，且因促动器部件上的热耗散而导致的能量损失较少，不需要增加制造成本，并且不需要增大促动器的尺寸。这样的结果特别具有优势。在促动器应用在磁性阀中的情况下，相对较大的"气隙"通常出现在允许大量流体通过阀的地方。因此，本发明的促动器非常适合用于期望在流体流量相对较大的情况下操作的阀中。但是，该促动器还可以用在不希望存在较大气隙的场合下，即促动器可以用在许多不同场合。 此外，静止部件和移动部件的特定设计使得促动器适合用在DC场合。因此，本发明的促动器可以用在DC场合以及AC场合，并且因此不需要为了各种目的制造各种促动器。这样降低了制造成本。此外，这种方案也使得磁场效率更高。 凸起部件可以形成移动部件或静止部件的整体部分。在本文中，术语"整体部分"应该理解为指的是凸起部件和静止部件或移动部件分别制作成单独部件并且以相同材料形成。这种实施方式具有优势，因为容易制造促动器而且节约成本。 作为替代方案，凸起部件可以连接到静止部件或移动部件，例如表现为销形式，该销压入静止部件或移动部件。 凸起部件可以布置在静止部件上或形成其一部分，而凹部可以形成在移动部件上。在这种情况下，凸起部件可以覆盖静止部件总截面积的5%到50%的截面积，诸如介于5 %和40%之间，诸如介于10 %和40 %之间，诸如介于10 %和25 % ，诸如总截面积的大约20%。 优选，在这种情况下，截面是在静止部件结束而凸起部件开始的地方截取的截面。在凸起部件为居中布置的截面基本上为圆形的销，并且静止部件的端部表面基本上为圆形的情况下，则凸起部件的直径可以具有优势地占具有凹部的部件的端表面代表直径的30%和50%之间。 作为替代方案，凸起部件可以布置在移动部件上或形成其一部分，而凹部可以形成在静止部件上，如上所述。 凸起部件可以表现为基本上居中布置在移动部件或静止部件上的销。在这种情况下，凹部是居中布置在不具有凸起部件的部件上的孔，该凹部的尺寸和形状匹配凸起部件的尺寸和形状。 作为替代方案，凸起部件可以具有任何其他适当形状，诸如布置在移动部件或静止部件上的周边环。在这种情况下，凹部是布置在不具有凸起部件的部件上的周边凹槽。
凸起部件可以为锥形或截头锥形，例如限定的顶角落在1(T -30°范围内，诸如落在15° -25°范围内。在这种情况下，凸起部件优选具有基本上圆形截面，截面积随着离开具有凸起部件的部件的端表面的距离而减小。这种实施方式的一项优势在于，较之凸起部件基本上为柱状的实施方式来说，防止了运动方向上的磁场力在气隙较小的时候明显减
小。运动方向上的磁场力由F二 1/2 *I2 "L/dx给出，其中I是提供给线圈的电流，而dL/
dx是自感相对于运动方向的微分，即气隙尺寸的变化。因此，采用基本上为柱状的凸起部
件在气隙较小的情况下，可以让运动方向上的磁场力变得非常小。但是，采用锥形或截头锥
形，一定程度上保持了运动方向上的磁场力较大。 作为替代方案或附加方案，凹部可以为锥形或截头锥形。 凸起部件的长度占具有凹部的部件的端表面代表直径的15%到30%。根据该实施方式，在典型设计中，实现了在整个气隙上对与运动方向基本上垂直的方向的力的优化。
凸起部件可以基本上为实心。在本文中，术语"实心"应该理解为指的是材料基本上存在于凸起部件全部尺寸。因此，根据该实施方式，凸起部件并非中空，也并非包括中空部件。 但是，作为替代方案，凸起部件可以为中空，或者包括中空部件。 屏蔽环可以布置在静止部件上。或者，可以布置在移动部件上。此外，屏蔽环可以
与凸起部件一起布置在相同的部件上，或者屏蔽环可以布置在不具有凸起部件的部件上。 屏蔽环优选可以由铜、银或铝制成。 磁性促动器可以进一步包括机械偏压装置，该装置适配成向着远离静止部件的方
向偏压移动部件。根据该实施方式，当促动器处于解除励磁状态时，移动部件将处于尽可能
远离静止部件的位置。在促动器励磁时，移动部件则向着静止部件的方向移动。 机械偏压装置可以具有优势地为弹簧或包括弹簧，诸如可压縮弹簧。 根据本发明的第二方面，上述目标以及其他目标通过提供一种磁性阀来实现，该
磁性阀包括 阀座； 阀关闭元件，该阀关闭元件可以在抵靠阀座因而关闭所述阀的位置和不抵靠阀座因而允许流体通过所述阀的位置之间移动；禾口 符合本发明第一方面的磁性促动器，所述磁性促动器的移动部件连接到所述阀关闭元件，因而所述阀根据所述移动部件的移动而打开或关闭。 应该注意，本领域技术人员容易理解，结合本发明第一方面论述的任何特征都可以均等地与本发明的第二方面相结合，反之亦然。 所述阀关闭元件可以仅在两个位置之间移动，即一个位置是所述阀关闭而另一个位置是所述阀打开。可以选择的是，所述阀关闭元件可以在多个位置之间移动，例如连续移动，所述多个位置限定所述阀的各种开度。 由于符合本发明第二方面的阀包括符合本发明第一方面的磁性促动器，所以上述优势也可以适用于所述阀。因此，所述阀适合用在DC场合以及AC场合，在不增加制造成本的条件下增加吸引力，等等。 所述阀可以是那种在非励磁状态下保持打开的阀，即所谓的常开(N0)阀，可以是那种在非励磁状态下保持关闭的阀，即所谓的常闭(NC)阀，或者可以是任何其他适当类型的阀。
现在将参照附图进一步详细说明本发明，在附图中 图1是符合本发明第一实施方式的促动器处于第一位置时的截面图； 图2是图1所示促动器处于第二位置时的截面图； 图3是符合本发明第二实施方式的促动器处于第一位置时的截面图； 图4是图3所示促动器处于第二位置时的截面图； 图5是符合本发明实施方式的阀处于打开位置时的截面图； 图6是图5所示阀处于关闭位置的截面图。
具体实施例方式
图1是符合本发明第一实施方式的磁性促动器1的截面图。促动器1包括壳体2，壳体包围静止部件3和移动部件4，静止部件3以及移动部件4以导磁材料制成。线圈(未示出)圆周布置在静止部件3和移动部件4周围。因此，在电流流过线圈时，在部件3、4所处的区域内感生出磁场。 静止部件3设置有凸起部件5，该凸起部件表现为销的形式，居中布置在静止部件3上。移动部件4设置有对应的凹部6，所述凹部适配成在移动部件4向着静止部件3方向移动时，接收所述凸起部件5。 静止部件3进一步设置有屏蔽环7，该屏蔽环布置在静止部件3周边。
在图1中，示出了磁性促动器1处于移动部件4尽可能远离静止部件3的位置。但是，即使静止部件3与移动部件4的平面部件之间的距离彼此相对较远，静止部件3和移动部件4之间的最小距离也相对较小。该最小距离由凸起部件5的尖端和移动部件4的边缘部件之间的距离来限定。因此，该较小的最小距离由具备凸起部件5的静止部件3的特定设计与具备凹部6的移动部件4的特定设计相结合所导致。由于该最小距离相对较小，所以即使静止部件3和移动部件4之间存在较大距离，也能确保可以提供相对较大的吸引力来移动移动部件4，当静止部件3和移动部件4的位置彼此相对较远，诸如图1所示的位置时。但是，如果静止部件3和移动部件4的位置彼此相对较近，则吸引力减小。因此，实现了促动器1在整个工作范围内具有更为均匀的吸引力。 屏蔽环7用导电材料制成，并且适配成提供第二磁场，第二磁场的相位不同于线圈所感生磁场的相位。因此，防止了源自用于移动移动部件的磁场以及源自屏蔽环提供的磁场的总磁场力变成零。因此，防止移动部件4如上所述地反复撞击静止部件3。因此，操作促动器1的噪音水平以及促动器1的磨损减小。 图2是图1所示磁性促动器1的截面图。在图2中，移动部件4定位地尽可能靠近静止部件3。此外，从图2可以看出，随着移动部件4向着静止部件3移动，凸起部件5收纳在凹部6中。 图1和2所示的磁性促动器1优选以下述方式操作。在非励磁状态下，即没有电流通过线圈时，由于重力原因，或者可能由于图中未示出的偏压弹簧的原因，移动部件4将处于图1所示位置。当希望操作促动器1时，向线圈提供电流，从而感生出向着静止部件3的方向，即向着图2所示位置吸引移动部件4的磁场。为了将移动部件4返回图1所示位置，需要将线圈解除励磁。
图3和4是符合本发明第二实施方式的磁性促动器1的截面图。图3和4所示的 磁性促动器1非常类似于图1和2所示的促动器。但是，图3和4所示促动器进一步设置 有弹簧8，该弹簧向着背离静止部件3的方向偏压移动部件4。因此，当操作促动器1从而 向着静止部件3的方向移动移动部件4时，需要压縮弹簧8，即必须施加与压縮弹簧8所需 的力对应的额外的力，以便移动移动部件4。因此，弹簧8确保了由促动器1操作的阀在解 除励磁状态下关闭地充分紧密，而不考虑阀的取向如何，就是说，即便阀的取向使得重力无 法确保阀在解除励磁状态下保持关闭也无所谓。 在图3中，示出了促动器1处于移动部件4的位置尽可能远离静止部件3的位置， 而在图4中，移动部件4的位置尽可能靠近静止部件3。从图4可以看出，弹簧8被压縮。
图5和6是包括图3和4所示磁性促动器的磁性阀9的截面图。线圈10圆周布 置在促动器周围。阀9进一步包括阀座11和连接到促动器移动部件4的阀关闭元件12。 阀座11布置在阀9的流体入口 13和流体出口 14之间。阀关闭元件12在抵靠阀座11的 位置和不抵靠阀座11的位置之间移动。当阀关闭元件12抵靠阀座11时，阻止了来自流体 入口 13的流体流向流体出口 14，即阀9关闭。当阀关闭元件12不抵靠阀座11时，允许流 体从流体入口 13流向流体出口 14，即阀9打开。在这种情况下，流体流动取决于开度，即 阀关闭元件12离阀座11的距离有多远。由于阀关闭元件12连接到促动器移动部件4，所 以阀关闭元件12的位置由移动部件4的位置来确定。因此，在移动部件4被拉向静止部件 3时，阀关闭元件12从阀座11离开，即阀9打开。同样，当移动部件4向着远离静止部件3 的方向移动时，阀关闭元件12向着阀座11移动，直到抵靠阀座11且阀9因而关闭为止。
弹簧8向着远离静止部件3的方向机械地偏压移动部件4。因此，在没有向线圈 10提供电流的时候，移动部件4将处于尽可能远离静止部件3的位置，即阀关闭元件12将 处于抵靠阀座11的位置，因而阀9关闭。因此，阀9是一种在非励磁状态下处于关闭的阀， 即所谓的"常闭(NC)"阀。 图5示出了阀9处于打开位置，即移动部件4尽可能靠近静止部件3，并且阀关闭 元件12不抵靠阀座11 。图6示出了阀9处于关闭位置，即移动部件4尽可能远离静止部件 3，并且阀关闭元件12抵靠阀座11。
权利要求
一种磁性促动器(1)，包括以导磁材料制成的静止部件(3)；以导磁材料制成的移动部件(4)；相对于移动部件(4)圆周布置的线圈(10)，以使移动部件(4)可以根据电流流过线圈(10)时感生出的磁场而相对于静止部件(3)移动；和布置在静止部件(3)或移动部件(4)上的屏蔽环(7)，其中所述静止部件(3)和移动部件(4)塑形地让静止部件(3)和移动部件(4)其中之一设置有凸起部件(5)，而静止部件(3)和移动部件(4)其中另一设置有对应凹部(6)，该凹部适配成接收该凸起部件(5)。
2. 如权利要求1所述的磁性促动器(l)，其特征在于，所述凸起部件(5)形成移动部件 (4)或静止部件(3)的整体部分。
3. 如权利要求1或2所述的磁性促动器(1)，其特征在于，所述凸起部件(5)布置在静 止部件(3)上或形成其一部分，而所述凹部(6)形成在移动部件(4)上。
4. 如权利要求3所述的磁性促动器(l)，其特征在于，所述凸起部件(5)覆盖静止部件 (3)总截面积的5%到50%的截面积。
5. 如前述权利要求任一项所述的磁性促动器，其特征在于，所述凸起部件(5)表现为 基本上居中布置在移动部件(4)或静止部件(3)上的销。
6. 如权利要求5所述的磁性促动器(l)，其特征在于，所述凸起部件(5)为锥形或截头 锥形。
7. 如权利要求6所述的磁性促动器(l)，其特征在于，所述锥形或截头锥形限定的顶角 落在10° -30°范围内。
8. 如权利要求5至7任一项所述的磁性促动器(l)，其特征在于，所述凸起部件(5)的 长度占具有所述凹部(6)的部件的端部代表直径的15%到30%。
9. 如权利要求5至8任一项所述的磁性促动器(l)，其特征在于，所述凸起部件(5)基 本上为实心。
10. 如前述权利要求任一项所述的磁性促动器(l)，其特征在于，所述屏蔽环(7)布置 在静止部件(3)上。
11. 如前述权利要求任一项所述的磁性促动器(l)，进一步包括机械偏压装置，该装 置适配成向着远离静止部件(3)的方向偏压移动部件(4)。
12. 如权利要求ll所述的磁性促动器(l)，其特征在于，所述机械偏压装置包括弹簧(8)。
13. —种磁性阀(9)，包括: 阀座(11);阀关闭元件(12)，该阀关闭元件可以在抵靠阀座(11)因而关闭所述阀(9)的位置和不 抵靠阀座(11)因而允许流体通过所述阀(9)的位置之间移动；禾口如前述权利要求任一项所述的磁性促动器(1)，所述磁性促动器(1)的移动部件(4)连 接到所述阀关闭元件(12)，因而所述阀(9)根据所述移动部件(4)的移动而打开或关闭。
14. 如权利要求13所述的磁性阀(9)，其特征在于，所述阀(9)是电磁阀。
15. 如权利要求13或14所述的磁性阀(9)，其特征在于，所述阀(9)是那种在非励磁状态下处于打开的阀。
16.如权利要求13或14所述的磁性阀(9)，其特征在于，所述阀(9)是那种在非励磁 状态下处于关闭的阀。
全文摘要
一种磁性促动器(1)，包括静止部件(3)、移动部件(4)和相对于移动部件(4)圆周布置的线圈(10)，以使移动部件(4)可以根据电流流过线圈(10)时感生出的磁场而相对于静止部件(3)移动。所述静止部件(3)和移动部件(4)塑形地让静止部件(3)和移动部件(4)其中之一设置有凸起部件(5)，而静止部件(3)和移动部件(4)其中另一设置有对应凹部(6)，该凹部适配成接收该凸起部件(5)。因而所述静止部件(3)和所述移动部件(4)之间的最小距离保持相对较小，并且因而能在不增加制造成本的条件下实现较大的吸引力。所述促动器(1)进一步包括屏蔽环(7)，所述屏蔽环提供的磁场的相位不同于所述线圈(10)感生出的磁场的相位。这样防止了移动部件(4)反复撞击静止部件(3)，并使得该促动器(1)适合用于AC场合以及DC场合。所述促动器(1)适合用在磁性阀(9)中。
文档编号H01F7/08GK101743601SQ200880024816
公开日2010年6月16日 申请日期2008年6月26日 优先权日2007年6月27日
发明者简·L·拉森, 迈克尔·伯克伦德 申请人:丹佛斯公司