专利名称：具有刚度增强电枢的微型嵌入式力马达的伺服阀的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及伺服阀，更尤其是涉及一种带有嵌入式力马达的液压伺服阀结构，力马达在维持较小尺寸和较低成本的同时更加坚固。
背景技术：
伺服阀是一类在利用电磁控制的液压系统中使用的装置。通常电磁级与先导级是分开的。先导级用于产生具有压差的流体流，通过将该压差施加到较大的表面面积上，可用来移动更大的阀。使用电磁级，可以对采用伺服阀的整个液压系统应用电子反馈控制。电磁级通常为电磁线圈装置、转矩马达或力马达结构。在电磁线圈装置中，力使圆柱形元件移动到电磁线圈中。当断电时，弹簧的回复力用于使圆柱形元件从线圈移出。通过在该结构上添加永磁体，可以配置以低的输入功率使电枢在两个方向上被电驱动的线性力马达。
在伺服阀系统中使用的力马达的当前工业设计使用永磁体和一组线圈来在两个气隙上叠加磁场，形成不同的磁力。线圈产生被引导通过圆柱形体积的磁场，永磁体产生与线圈的磁场相互作用的磁场。永磁体安置在圆柱形电枢的外部，圆柱形电枢与线圈固定在一起构成第一级的力马达。在现有技术的设计中，力马达在先导阀外面，并与用于在两个压差流体流动路径中产生压差的阀瓣/喷嘴(flap/nozzle)阀结构连接在一起。然后，两个压差流体流动路径与主伺服阀连接在一起，其中压差用来移动较大伺服阀的元件，以放大用于移动大的对象的液压生成力。具有的三个独立分级限制了本伺服阀的尺寸。在许多应用中，本伺服阀结构的尺寸限制了在液压伺服系统上的适用性。
当利用带有嵌入式力马达的先导级的伺服阀在高振动应用中使用时，电枢需要更加刚性化，以抵制偏移，该偏移可导致磨损增加，并导致电枢滑动表面的可靠性的降低。
所以，需要一种带有嵌入式力马达的伺服阀结构，其在维持较小的尺寸和较低的成本的同时更加坚固。
发明内容
一种伺服阀结构具有与由两个提升阀供给的主腔相连的两个单独控制端口。用于操作伺服阀的力马达嵌入伺服阀内。腔壁包括绕线筒组件，绕线筒组件包括磁性材料轭铁和非磁性绕线筒元件，用于力马达的定子。所述腔具有带有表面特征的导向/止挡件(guide/stop)，该表面特征提供了与设置在所述腔内部的动电枢组件的磁性耦合。电枢组件包括由非磁性材料构造的电枢轴；由磁性材料制成的电枢基体；具有相对磁极的两个嵌入式盘环形永磁体，其装在电枢轴上并用非磁性环保持。电枢轴的端部与圆筒形轴承相配合，圆筒形轴承支撑电枢轴，并允许电枢组件侧向移动。电枢轴还由各端的轴承悬置，所述轴承配置成当线圈断电时，使电枢组件纵向保持定中于主腔中。驱动线圈周向缠绕在绕线筒组件中，并响应线圈电流产生磁通。根据线圈中电流的方向，线圈的磁通在其中一个气隙援助磁体的磁通，而在另一个气隙反抗磁体的磁通。这样，形成力差，磁性力差起作用以克服两个螺旋形阿基米德弹簧的回复力，使电枢在腔内纵向移动。电枢轴具有两个端部，每个端部形成两个先导阀的一侧。电枢组件在主腔内部移动，主腔与回流端口连接在一起。根据电枢的位置，两个先导阀中的一个先导阀开启，而另一个先导阀关闭，从而产生与先导阀的相对打开横截面面积成比例的压降。这样，两个控制端口产生压差。这两个控制端口用来控制较大的主级伺服阀。
在本发明的这个实施例中，电枢组件由具有提升端的电枢轴支撑，提升端与每端的圆筒形轴承相配合。在该实施例中，电枢组件与形成主腔的元件之间不存在滑动接触。如此，电枢组件的刚度可由电枢轴来控制。电枢组件与主腔之间的间隙大小设计成，确保当伺服阀承受非侧向方向上的高振动力时不会发生接触。
电枢的表面特征和腔的表面特征配置成，确保磁通在电枢行进的范围内产生最佳的线性力。
在本发明的另一个实施例中，伺服阀包括具有第一端盖和第二端盖的腔，第一端盖和第二端盖具有向第一端口和第二端口开口的第一先导阀座和第二先导阀座。伺服阀还包括力马达，力马达包括具有定子线圈的定子，定子形成该腔的圆筒形部分。力马达还包括电枢组件，所述电枢组件可响应定子线圈中的电流而能在腔内部移动。电枢组件用弹性元件保持在腔的各端。电枢组件可包括由与腔接合形成的多个先导阀。当先导端(pilot)与第一先导阀座和第二先导阀座之一接合时，形成多个先导阀中的每个先导阀。力马达还包括与电枢组件接触的多个导向/止挡件，其中多个导向/止挡件形成力马达定子的一部分。伺服阀还可包括第三端口，第三端口与腔连接在一起，并配置成接收一定压力下的流体。
在本发明的另一个实施例中，伺服阀包括具有第一端盖和第二端盖的腔，第一端盖和第二端盖具有向第一端口和第二端口开口的第一先导阀座和第二先导阀座。伺服阀还包括力马达，力马达包括具有定子线圈的定子，定子形成该腔的圆筒形部分。力马达还包括电枢组件，所述电枢组件可响应定子线圈中的电流而能在腔内部移动。电枢组件用弹性元件保持在腔的各端。电枢组件可包括由与腔接合形成的多个先导阀。当先导端与第一先导阀座和第二先导阀座之一接合时，形成多个先导阀中的每个先导阀。力马达还包括与电枢组件接触的多个导向/止挡件，其中多个导向/止挡件形成力马达定子的一部分。进一步，多个导向/止挡件利用圆周轴承元件接触电枢组件上的提升端。伺服阀还可包括第三端口，第三端口与腔连接在一起，并配置成接收一定压力下的流体。
在本发明的另一个实施例中，伺服阀包括具有第一端盖和第二端盖的腔，第一端盖和第二端盖具有向第一端口和第二端口开口的第一先导阀座和第二先导阀座。伺服阀还包括力马达，力马达包括具有定子线圈的定子，定子形成该腔的圆筒形部分。力马达还包括电枢组件，所述电枢组件可响应定子线圈中的电流而能在腔内部移动。电枢组件用弹性元件保持在腔的各端。电枢组件可包括由与腔接合形成的多个先导阀。当先导端与第一先导阀座和第二先导阀座之一接合时，形成多个先导阀中的每个先导阀。电枢组件还可包括配置成接合圆筒形轴承元件的非磁性轴，其中非磁性轴与弹性元件连接在一起，弹性元件起作用，以使电枢组件定中于第一先导阀座和第二先导阀座之间。力马达还包括与电枢组件接触的多个导向/止挡件，其中多个导向/止挡件形成力马达定子的一部分。伺服阀还可包括第三端口，第三端口与腔连接在一起，并配置成接收一定压力下的流体。
为了更好地理解下面的本发明的详细说明书，前述内容相当宽泛地概括了本发明的特征和技术优点。形成本发明权利要求书的主题的本发明的附加特征和优点将在下文描述。
为了更加全面地理解本发明及其优点，现在将结合附图进行下面的描述，其中图1A是带有嵌入式力马达的微型伺服阀的横截面图，显示了与在本发明实施例中使用的功能元件的相互作用；图1B是图1A的微型伺服阀的一部分的横截面图，详细显示了用于本发明实施例确保移动力马达的电枢的力基本上不随电枢行程变化的表面特征；图1C是图1A的力马达的一部分的横截面图，显示了用于本发明实施例的在导向/止挡件的一侧上的滑动轴承表面和台阶状的倾斜磁通表面；图1D是图1A的力马达的一部分的横截面图，显示了在本发明实施例中使用的先导阀的详细结构；图2A是依照本发明实施例带有嵌入式力马达的微型伺服阀的横截面图，力马达的电枢在非磁性轴承表面上移动；图2B是图1A的微型伺服阀的一部分的横截面图，详细显示了用来减少摩擦、磨损并改善图2A的微型伺服阀的性能的非磁性轴承表面；图3A是依照本发明实施例带有嵌入式微型力马达的伺服阀的横截面图，嵌入式微型力马达使用电枢中的非磁性轴来增加电枢组件的刚度；图3B是图3A的伺服阀的一部分的横截面图，详细显示了轴承表面和形成先导阀的提升端；图4A是依照本发明实施例的带有嵌入式微型力马达的伺服阀的横截面图，嵌入式微型力马达利用延长的非磁性轴来增加支承面积以及利用常规压缩弹簧来增加对冲击和振动的抵抗；和图4B是图4A的伺服阀的一部分的横截面图，详细显示了轴承表面和压缩弹簧配置。
具体实施例方式
在下面的说明中，将描述许多具体的详细结构，以提供对本发明的彻底理解。但是，显然，对本领域技术人员来说，可以在没有这些特定详细结构的情况下实施本发明。在很大程度上，省略了有关众所周知的元件等等的细节，因为这样的细节对全面理解本发明来说不是必须的，而且这些细节在相关技术领域的普通技术人员的技能之内。
本发明提供了一种新的紧凑型力马达设计，其由电枢(包括电枢基体、两块盘形永磁体和带有提升端的两件)和两个或两个以上的绝缘子组成。力马达的定子包括线圈/绕线筒组件、线圈壳体和两个电枢导向/止挡件元件，电枢导向/止挡件元件与电枢基体一起形成磁路，用于从控制线圈通过盘形永磁体的磁路耦合磁通。力马达具有的新颖性结构在于两块盘形永磁体沿轴向方向磁化，并在背靠背的方向上嵌入电枢基体。根据控制线圈中电流的方向，控制线圈的磁通产生增强其中一个永磁体的磁场和削弱另一个永磁体的磁场。另外，磁性材料制成的提升端与盘形永久磁性元件轴向连接在一起。提升端在电枢的各端接合形成两个提升阀。当电枢在力马达的作用下运动时，电枢上的两个提升端充当先导端，直接在从中心到两端的两个方向上驱动提升/喷嘴阀。这有助于形成尺寸上非常紧凑的力马达，与在伺服阀中使用的已有力马达相比，这种力马达的输出力与控制线圈中的激励电流之比非常高。
在本发明实施例中使用的力马达还具有关于中心电枢基体和导向/止挡件元件的磁性材料表面的新颖性几何形状。导向/止挡件的表面特征之一是台阶状表面，其配置成近似所需要的凹形形状，凹进部分从电枢组件朝着离心方向，该台阶状表面适于实现较长的比例行程和最优的力-行程曲线线性度。可以通过调节导向/止挡件的两个横截面面积和电枢的面角，通过局部磁通分布来控制力-行程曲线。由两个永磁体和线圈产生的磁通由内部尺寸与导向/止挡件的各圆柱形表面的长度和直径的组合限定。
与现有技术的力马达相比，这些特定的表面形状能够使本发明的力马达在很长的冲程范围内产生与电流(功率)成比例的恒定输出力。在本发明实施例中采用的盘形永磁体在尺寸上较小，而且易于磁化。电枢组件由两个阿基米德弹簧(一端一个)支撑，这些实施例在电枢和导向/止挡件上使用圆筒形轴承表面，不需要单独的轴。其中一个实施例在磁性电枢基体、导向/止挡件和提升端上使用工艺粘合铜/PTFE(特氟隆)滑动表面。其它实施例使用高密度聚乙烯轴承元件来消除磁性表面之间的接触。其它实施例使用带有端轴承的单独电枢轴，不使磁性表面接触，或者代替滑动轴承元件。
现在参照附图，其中所描绘的元件不一定按比例显示，几个视图中的相同或类似的元件用同样的参考数字标记。在下文中，盘形指的是厚度基本上小于直径的圆形元件。在下文中，先导阀指小的平衡阀，其被操作以控制一定压力下的流体到达较大的控制阀。先导阀有时被称为中继阀(relay valve)。伺服阀是一种使用反馈来提供对一定压力下的流体的精确控制以操纵液压系统向机械元件传送液压动力的机电阀。
图1A是依照本发明实施例的伺服阀100的横截面图。参照图1A，伺服阀100具有电枢组件，电枢组件在主腔132内部移动。在一个实施例中，在此所使用的电枢组件指的是下列元件的组合电枢基体101、提升端103、盘形磁体102、152。应当指出，电枢组件还可包括在此没有提及的其它元件。还应当指出，当在此结合不同的实施例例如图2A-B、图3A-B来使用术语电枢组件时，术语电枢组件指的是上述元件的组合。
参照图1A，主腔132由包括轭铁106和绕线筒部件138的元件形成，轭铁106和绕线筒部件138构成绕线筒组件。在一个实施例中，绕线筒组件可包括轭铁元件106、壳体107、非磁性绕线筒部件138和线圈105。应当指出，绕线筒组件还可包括在此没有提及的其它元件。还应当指出，当在此结合不同的实施例例如图2A-B、图3A-B使用术语绕线筒组件时，术语绕线筒组件指的是上述元件的组合。
参照图1A，磁性轭铁106由磁性材料制成，其形成由激励控制线圈105引起的磁通的路径的一部分。导向/止挡件104形成力马达定子的一部分，其具有与动电枢组件相接触的表面。在一个实施例中，定子可包括绕线筒组件和导向/止挡件104。应当指出，定子还可包括在此没有提及的其它元件。还应当指出，当在此结合不同的实施例例如图2A-B、图3A-B使用术语定子时，术语定子指的是上述元件的组合。在一个实施例中，力马达可包括定子和电枢组件。应当指出，力马达可包括在此没有提及的其它元件。还应当指出，当在此结合不同的实施例例如图2A-B、图3A-B使用术语力马达时，术语力马达指的是上述元件的组合。
轴承接触表面131以及导向/止挡件104和电枢基体101上的特定表面形状显示在虚线区域150中。虚线区域150更详细地显示在下面进一步所论述的图1B-1C中。流体在高压下传送到端口124，并通过两个固定节流孔(未显示)的第一节流孔产生压降，路径120和121各有一个节流孔。在由电枢组件上的提升端(poppet ends)103控制的每个先导阀上出现第二压降。在一个实施例中，先导阀可包括先导端130和先导阀座146。应当指出，先导阀可包括在此没有提及的其它元件。还应当指出，当在此结合不同的实施例例如图2A-B、图3A-B使用术语先导阀时，术语先导阀指的是上述元件的组合。主腔132中的流体与处于大气压力下的回流端口(未显示)连接在一起。
电枢组件在主腔132内部运动，电枢组件由电枢基体101、两个盘形磁体102和152以及两个提升端103组成。提升端103均具有先导端130，先导端130与各个流体路径120和121上的先导阀接合。盘形磁体102和152在相对的方向上被磁极化。来自示例性永磁体102的磁通(在该视图中未显示)从左边方向开始被引导穿过左提升端103、左导向/止挡件104、气隙139，再穿过电枢基体101闭合。来自示例性永磁体152的磁通(在该视图中未显示)从右边方向开始被引导穿过右提升端103、右导向/止挡件104、气隙137，再穿过电枢基体101闭合。盘形磁体102和152连接到电枢基体101上，电枢基体101带有非磁性绝缘子109，以防止磁通在电枢基体101和两个提升端103之间泄漏。电枢在配置(例如工艺粘合铜(Process Bounded Bronze)/PTFE)形成轴承表面的轴承接触表面131上滑动。轴承接触表面131详细地显示在下面进一步所论述的图1B中。电枢组件用弹性元件110(例如阿基米德弹簧)保持在主腔132的两端。
参照图1A，控制线圈105周向缠绕在由轭铁元件106和非磁性绕线筒部件138形成的绕线筒组件中。当控制线圈105通电时，控制线圈105产生磁通(在该视图中未显示)，该磁通与气隙137和139中的盘形永磁体102和152的磁通相互作用，产生侧向力。线圈105的磁通主要被引导穿过其中一个导向/止挡件104、气隙137和139、电枢基体101、第二导向/止挡件104，然后穿过线圈壳体107返回。根据线圈105中电流的方向，气隙137和139中的磁通或者援助或者减少相应永磁体102和152的磁通。由控制线圈105和永磁体102、105的磁场的相互作用引起的力使电枢克服支撑弹簧110的作用，或者向左移动或者向右移动，这取决于控制线圈105中的电流方向。如上所述，提升端103上的各个先导端130与阀座146接合，形成先导阀。当电枢组件在嵌入式力马达的作用下移动时，先导阀的一端逐渐开启，而另一端逐渐关闭，从而改变先导阀上的压降，导致路径120和121中的流体呈现压差。控制端口122和123将该压差传送给主级(未显示)。主腔132中的流体与处于大气压力下的回流端口(未显示)连接在一起。
图1B显示了本发明实施例的图1A所示的虚线区域150的放大图，进一步地描述了轴承接触表面131和电枢基体101与导向/止挡件104上的表面特征140-142。参照图1B，图1B显示电枢基体101、提升端103、磁体102和用于保持磁体102的非磁性绝缘子109的一部分。轴承接触表面131用虚线显示，其指示导向/止挡件104接触提升端103和电枢基体101的地方。这些轴承接触表面131配置成能减少滑动摩擦。特征140-142是倾斜的，改变了气隙139的磁路和导向/止挡件104与电枢基体101之间的泄漏路径，有助于确保力与施加给线圈105(在该视图中未显示)的输入电流的线性关系。虽然该视图只显示了表明这些滑动表面和力马达的电枢与定子之间的磁性特征的关系的四个横截面中的一个，但是，应当理解，其它三个横截面具有同样的特征。倾斜表面特征140-141的细节主要控制示例性气隙139。倾斜特征142进一步还影响导向/止挡件104和电枢基体101之间的泄漏路径。角170-171可以是相同的，也可以是不同的。同样，可调节角172来最佳化漏磁特性。典型地，交互地调节角170-172，以获得所希望的力与电枢行程的特性。例如，在本发明实施例中，交互地调节角，使得与电枢行程有关的合力基本上是恒定的。
当电枢组件向左移动而闭合示例性气隙139时，磁路的磁阻(由气隙139支配)变小。因此，可以想象，气隙139中的磁通将增加，合力也将增加。然而，在气隙139周围的接合面漏磁通的面积(由表面142上的角172控制)也会增加，从而减少气隙139中的磁通。净效应使得相对于电枢组件行程的合力基本上是恒定的。
图1C是另一个实施例，其显示了电枢基体101、提升端103、磁体102和用于保持磁体102的非磁性绝缘子109的一部分。参照图1C，轴承接触表面131用虚线显示，其指示导向/止挡件104接触提升端103和电枢基体101时的情况。这些轴承接触表面配置成能减少滑动摩擦。图1B中的倾斜表面142替换为倾斜台阶状表面145，倾斜台阶状表面145配置成能调节漏磁通以及控制局部磁场分布以实现基本上平的力与行程关系曲线和力马达的较长的比例行程。台阶状斜面145改变了穿过导向/止挡件104和电枢基体101之间的接合面的漏磁通。到电枢基体101的有效泄漏路径是距离173以及台阶Xn 174与Yn 175尺寸的函数，Xn 174与Yn 175台阶尺寸确定了对于一给定的距离173可实现多少个台阶。每个构成斜面145上的台阶的Xn 174和Yn 175尺寸可以是相同的，或者也可以是不同的，以便每个台阶更接近于所要求的曲面，从而增加可用来定制伺服阀100的力与电枢组件行程关系的附加参数。虽然该视图只显示了表明该实施例以及这些滑动表面和力马达的电枢与定子之间的磁性特征的关系的四个横截面中的一个，但是，应当理解，其它三个横截面应当具有同样的特征。
在进一步的说明中，导向/止挡件的表面特征之一是台阶状表面145，其配置成近似所需要的凹形形状，凹进部分从电枢组件朝着离心方向，该台阶状表面145适于实现较长的比例行程和最佳的力-行程曲线的线性度。台阶状表面由一组直径朝电枢逐渐减少的圆柱形表面和各圆柱形表面之间的平的面表面组成。所要求的凹形形状由连接圆柱形表面和面表面的内侧锐角交点的线形成，每个交点位于较小直径的圆柱形表面和与较大直径的下一个圆柱形表面相连接的面表面之间。凹形表面的形状可以通过调节圆柱形表面的直径和长度来进行调节。磁路主要受凹形表面和导向/止挡件的内表面之间的横截面面积的影响。横截面面积沿比例行程而随凹形形状变化。比例行程的长度主要取决于凹形形状的长度，比例行程的线性度主要取决于所要求的凹形形状的近似程度。与广泛用于延长比例行程、改善力-行程曲线的锥形表面相比，台阶状表面--本发明的新颖性结构更接近所要求的凹形形状，因此可以实现更长的比例行程以及实现更好的力-行程曲线的线性度。
可以通过调节导向件的两个横截面面积和电枢的面角，通过局部磁通分布来控制力-行程曲线。由两个永磁体和线圈产生的磁通由内部尺寸与导向件的各圆柱形表面的长度和直径的组合限定。
图1D显示了本发明伺服阀100的一个实施例，先导阀位于图1A-1B所示的路径120和121之间的接合面。参照图1D，各示例性先导阀(例如在路径120中的)具有阀体，阀体在倾斜的“V”形底部具有喷嘴开口160。左先导端130上的相配合“V”形部162随着电枢侧向移动起到打开和关闭至开口160的路径的功能。弹性元件110(例如阿基米德弹簧)保持并提供回复力，以使电枢组件相对于两个先导级阀定中心于中间位置。非磁性绝缘子109将永磁体102和152保持在电枢组件内部。导向/止挡件104提供轴承接合表面和磁路特征140-142。路径121具有同样的阀体，阀体带有喷嘴开口161和相应的在右先导端130上的配合“V”形部163。
图2A是依照本发明实施例的伺服阀200中的嵌入式力马达的实施例的横截面图。在图1A的伺服阀100中，滑动轴承接触表面131包括电枢基体101、先导端130和导向/止挡件104的表面。虽然滑动轴承接触表面131可以被涂敷以改善滑动摩擦，但是当在需要伺服阀承受高振动力的应用中运行时，它们不够坚固以致于不具有所要求的寿命和可靠性。引起电枢的非侧向运动的高振动力会导致表面龟裂或其它变形，这导致摩擦增加，性能降低，最终可导致故障。图1A中伺服阀100的电枢组件简单、成本低，其包括非实体结构(non-solidstructure)，其中，电枢基体101、永磁体102和152以及提升端103用附加元件(例如非磁性绝缘子109)耦合在一起，从而形成在由高振动力激发时可承受不期望的运动的结构。
参照图2A，伺服阀200具有嵌入式力马达，该嵌入式力马达也包括电枢组件，电枢组件在主腔232内部移动。主腔232由轭铁206和绕线筒部件238形成，轭铁206和绕线筒部件238构成绕线筒组件。磁性轭铁206由磁性材料制成，其形成由激励控制线圈205引起的磁通的路径的一部分。导向/止挡件204形成力马达定子的一部分，其具有与动电枢组件的提升端203上的轴承元件231相接触的表面。轴承元件231和接触表面以及导向/止挡件204和电枢基体201上的特定表面形状显示在虚线区域250中。虚线区域250更详细地显示在下面进一步所论述的图2B中。流体在高压下传送到端口224，并通过两个固定节流孔(未显示)的第一节流孔产生压降，路径220和221各有一个节流孔。在由电枢组件上的提升端203控制的每个先导阀上出现第二压降。主腔232中的流体与处于大气压力下的回流端口(未显示)耦合在一起。
电枢组件在主腔232内部移动，电枢组件由电枢基体201、两个盘形磁体202和252以及两个提升端203组成。提升端203均具有先导端230，先导端230与各个流体路径220和221上的先导阀(先导端230和先导阀座246)接合。盘形磁体202和252在相对的方向上被磁极化。来自示例性永磁体202的磁通(在该视图中未显示)从左边方向开始被引导穿过左提升端203、左导向/止挡件204、气隙239，穿过电枢基体201闭合。来自示例性永磁体252的磁通(在该视图中未显示)从右边方向开始被引导穿过右提升端203和右导向/止挡件204，再穿过电枢基体201闭合。盘形磁体202和252用非磁性绝缘子209连接到电枢基体201上，以防止磁通在电枢基体201和两个提升端203之间泄漏。电枢在与提供低滑动摩擦力的(例如高密度聚乙烯)(HDPE)支承插入件231相适合的轴承表面上滑动。轴承元件231和接触表面详细地显示在下面进一步所论述的图2B中。电枢组件用弹性元件210(例如阿基米德弹簧)保持在主腔232的两端。
控制线圈205周向缠绕在由轭铁元件206形成的槽中。当控制线圈205通电时，控制线圈205产生磁通(在该视图中未显示)，该磁通与气隙237和239中的盘形永磁体202和252的磁通相互作用，产生侧向力。线圈205的磁通主要被引导穿过其中一个导向/止挡件204、气隙237和239、电枢基体201、第二导向/止挡件204，然后穿过线圈壳体207返回。根据线圈205中电流的方向，气隙237和239中的磁通或者援助或者减少相应永磁体202和252的磁通。由控制线圈205和永磁体202、205的磁场的相互作用引起的力使电枢克服弹性元件210的作用，或者向左移动或者向右移动，这取决于控制线圈205中的电流方向。提升端203上的各个先导端230与阀座246接合，形成先导阀。当电枢组件在嵌入式力马达的作用下移动时，先导阀的一端逐渐开启，而另一端逐渐关闭，从而改变先导阀上的压降，导致路径220和221中的流体呈现压差。控制端口222和223将该压差传送给主级(未显示)。
图2B显示了本发明实施例的图2A所示的虚线区域250的放大图，进一步描述了替代伺服阀100中的滑动轴承接触表面131的轴承表面260。参照图2B，图2B显示电枢基体201、提升端203、磁体202和用于保持磁体202的非磁性绝缘子209的一部分。目前的导向/止挡件204仅仅在利用圆筒形轴承元件231的提升端203处接触电枢组件。特征240-242是倾斜的，改变了磁路，有助于确保与施加给线圈205(在该视图中未显示)的输入功率(input power)有关的线性力。虽然该视图只显示了表明这些滑动表面和力马达的电枢组件与定子之间的磁性特征的关系的四个横截面中的一个，但是，应当理解，其它三个横截面具有同样的特征。迫使电枢仅仅利用轴承元件231接触导向/止挡件204，导致产生气隙261。气隙261的尺寸设计成，确保当电枢组件在外部振动力的影响下在非侧向方向上移动时，在导向/止挡件204、电枢基体201和提升端203之间不存在额外的接触。轴承元件231可以由诸如Meldin公司生产的高密度聚乙烯制成。接触区域260的配合表面制备成与轴承元件231相适应。本发明的实施例使用轴承元件231作为摩擦接触表面，以确保伺服阀200的更可靠和更可预测的摩擦力，以及使摩擦表面不会受到非侧向振动力的破坏。进一步通过不允许诸如图1A-1D的伺服阀100中的轴承接触表面131的磁性表面相接触，消除了由耦合磁通之后的这些表面的剩磁引起的力。由接触磁性表面引起的这些力有时候被称为“粘力”。
倾斜表面242可以像关于图1C中的伺服阀100所述的倾斜表面145一样是台阶状的(为简单起见，未显示)。关于伺服阀100所述的台阶状斜面145的功能说明与图2A实施例中的伺服阀200的是同样的，为简洁起见，不再重复。
图3A是本发明的一个实施例，其中带有嵌入式微型力马达的伺服阀300的横截面在电枢中使用非磁性轴370，以增加电枢组件的刚度。参照图3A，伺服阀300具有嵌入式力马达，嵌入式力马达也包括电枢组件，电枢组件在主腔332内部移动。主腔332由轭铁306和绕线筒部件338形成，轭铁306和绕线筒部件338构成绕线筒组件。磁性轭铁306由磁性材料制成，其形成由激励控制线圈305引起的磁通路径的一部分。导向/止挡件304形成力马达定子的一部分，其具有与动电枢组件相接触的表面。导向/止挡件304和电枢基体301上的特定表面形状的细节显示在虚线区域350中，特定表面形状的功能类似于图2B的同样特征。为简洁起见，这里不再重复导向/止挡件304和电枢基体301的说明。流体在高压下传送到端口324，并通过两个固定节流孔(未显示)的第一节流孔产生压降，路径320和321各有一个节流孔。在由电枢组件上的提升端303控制的每个先导阀上出现第二压降。主腔332中的流体与处于大气压力下的回流端口(未显示)连接在一起。
电枢组件在主腔332中运动，电枢组件包括支撑电枢基体301的电枢轴370；两个相对磁极化的盘环形永磁体302和352；和两个形成磁路的一部分的提升端303。电枢轴370的各端接合圆筒形轴承元件340，并具有先导端330，先导端330与各个流体路径320和321上的先导阀接合。导向/止挡件304提供对电枢组件的过大侧向运动的停止作用，同时对永磁体302和352的磁场的磁路进行局部成形。非磁性绝缘元件309用来将盘环形磁体302和352保持到电枢基体301和电枢端303上。盘环形磁体302和352在相对的方向上被磁极化。来自示例性永磁体302的磁通(在该视图中未显示)从左边方向开始被引导穿过左提升端303、气隙331、左导向/止挡件304、气隙339，再穿过电枢基体301闭合。来自示例性永磁体352的磁通(在该视图中未显示)从右边方向开始被引导穿过右提升端303、气隙331、气隙337和右导向/止挡件304，再穿过电枢基体301闭合。盘环形磁体302和352用非磁性绝缘子309连接到电枢基体201和电枢轴370上，以防止磁通在电枢基体301和两个电枢端303之间泄漏。电枢轴370的各端接合圆筒形轴承元件340。同样，电枢轴370与弹性元件310(例如阿基米德弹簧)连接在一起，当线圈305断电时，弹性元件310促使电枢组件定中心于两个先导阀座346之间的中心。
控制线圈305周向缠绕在由磁轭元件306和非磁性绕线筒元件338形成的绕线筒组件中。当控制线圈305通电时，控制线圈305产生磁通(在该视图中未显示)，该磁通与气隙337和339中的盘形永磁体302和352的磁通相互作用，产生侧向力。线圈305的磁通主要被引导穿过其中一个导向/止挡件304、气隙337和339、电枢基体301、第二导向/止挡件304，然后穿过线圈壳体307返回。根据线圈305中电流的方向，气隙337和339中的磁通或者援助或者减少相应永磁体302和352的磁通。由控制线圈305和永磁体302、305的磁场的相互作用引起的力使电枢组件克服支撑弹性元件310的作用，或者向左移动或者向右移动，这取决于控制线圈305中的电流方向。电枢轴370上的先导端330与阀座346接合，形成两个先导阀，一个在路径320中，一个在路径321中。当电枢组件在嵌入式力马达的作用下移动时，先导阀的一端逐渐开启，而另一端逐渐关闭，从而改变先导阀上的压降，导致路径320和321中的流体呈现压差。控制端口322和323将该压差传送给主级(未显示)。
图3B显示了本发明实施例的图3A中的伺服阀300的电枢组件的横截面图。参照图3B，图3B进一步显示了本发明在电枢轴370的端部带有圆筒形轴承元件340和先导阀座346的部分的实施例。也显示了电枢组件与导向/止挡件304之间的接合面。电枢轴370、磁体302和352和磁性材料电枢端303用非磁性绝缘子元件309连接在一起，形成电枢组件。导向/止挡件304具有磁性表面342-344，磁性表面被操作形成磁通分布，并改变由磁体302和352的漏磁路径。这些特征在图1B-1C和2B中进行了描述，为简洁起见，这里不再重复。磁路也包括气隙360和361。在这些路径中的磁通不会产生侧向力。电枢轴370用弹性元件310连接到导向/止挡件304上。圆筒形轴承340在轴承表面345上接合电枢轴370。
在本发明的另一个实施例中，轴承表面由带有滚子元件(在该视图中未显示)的适当形状的直线轴承代替。当电枢组件侧向左右移动时，电枢轴370的各先导端348被操作与先导阀座341相互作用。圆筒形轴承340开有端口347，这样来自路径320和321的流体被传送给电枢轴370的先导端348与先导阀座341之间的体积347中。电枢轴370主要确定电枢组件的刚度，并因而确定它在振动和G力下的非侧向运动。不存在滑动摩擦表面，因而最小化或消除了磨损、磨损颗粒和剩余的表面磁力。
图4A是本发明另一个实施例的伺服阀400的横截面图。参考图4A，伺服阀400使用具有延长长度402和403的轴401来增加轴承表面404和405，以在轴401的整个行进中100％接触。由常规压缩弹簧406和407提供定中力，常规压缩弹簧406和407增加了轴401的空间刚度，并阻尼了轴401上的冲击和振动效应。
图4B显示了本发明实施例的图4A中的伺服阀400的轴组件的横截面图。参照图4B，非磁性轴401在磁通(在该视图中未显示)的作用下位移，压缩弹簧406，拉伸弹簧407，同时保持完全的轴承接触404和405。
虽然已经详细描述了本发明及其优点，但是应当明白，可以在不偏离附录的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下对此作出各种变化、置换和变更。
权利要求
1.一种伺服阀，其包括具有第一端盖和第二端盖的腔，第一端盖和第二端盖具有向第一端口和第二端口的开口的第一先导阀座和第二先导阀座；力马达，其包括具有定子线圈的定子，定子形成所述腔的圆筒形部分，其中所述力马达还包括响应于所述定子线圈中的电流而能在所述腔内部移动的电枢组件，其中所述电枢组件用弹性元件保持在所述腔的各端，其中所述电枢组件包括多个先导阀，其通过与所述腔的接合形成，其中当先导端与所述第一先导阀座和第二先导阀座之一接合时，形成所述多个先导阀中的每个先导阀；和多个与所述电枢组件相接触的导向/止挡件，其中所述多个导向/止挡件形成所述力马达的所述定子的一部分；和第三端口，所述第三端口与所述腔连接在一起，并配置成接收一定压力下的流体。
2.如权利要求1所述的伺服阀，其中，所述电枢组件还包括电枢基体；和多个连接到所述电枢基体的磁体，其中所述多个磁体在相对的方向上被轴向磁极化。
3.如权利要求2所述的伺服阀，其中，所述伺服阀还包括磁性材料制成的提升端，所述提升端与所述多个磁体轴向连接，其中所述电枢组件在所述多个提升端和所述电枢基体的轴承接触表面上滑动。
4.如权利要求2所述的伺服阀，还包括位于所述电枢基体和所述多个导向/止挡件中的一个导向/止挡件上的表面特征，其中所述表面特征是倾斜的，以改变第一气隙和第二气隙的磁路以及所述多个导向/止挡件中的所述一个导向/止挡件与所述电枢基体之间的泄漏路径，借此通过调节所述表面特征，可以调节磁力相对于所施加的输入电流的线性度。
5.如权利要求4所述的伺服阀，其中，其中所述表面特征之一是斜面特征，该斜面特征影响所述多个导向/止挡件中的所述一个导向/止挡件与电枢基体之间的漏磁路径。
6.如权利要求4所述的伺服阀，其中，至少一个所述多个导向/止挡件的表面特征包括配置成近似凹形形状的台阶状表面，其中可调节凹形形状的长度来加长比例行程，所述比例行程的线性度可通过台阶状表面近似凹形形状的程度来调节。
7.如权利要求4所述的伺服阀，其中，所述第一气隙形成在所述电枢基体的第一端与所述多个导向/止挡件中的第一导向/止挡件之间，所述第二气隙形成在所述电枢基体的第二端与所述多个导向/止挡件中的第二导向/止挡件之间，其中当所述电枢组件在所述腔内部侧向移动时，所述第一气隙和所述第二气隙彼此以直接的相反关系变化。
8.如权利要求7所述的伺服阀，其中，流到所述第一端口和第二端口的流体由所述电枢组件的位置来控制，其中所述电枢组件的所述位置由所述定子线圈中的所述电流的大小和方向控制。
9.如权利要求2所述的伺服阀，还包括所述定子线圈周向缠绕在环绕所述腔的绕线筒组件中，其中当所述定子线圈通电时，定子线圈产生磁通，该磁通与所述多个磁体的磁通相互作用，产生侧向力。
10.如权利要求9所述的伺服阀，其中，根据所述定子线圈中的所述电流的方向，由所述定子线圈产生的所述磁通援助或减少由所述多个磁体中的一个产生的所述磁通，并援助由所述多个磁体中的另一个产生的所述磁通。
11.如权利要求1所述的伺服阀，其中，所述多个先导阀中的第一先导阀逐渐开启，所述多个先导阀中的第二先导阀逐渐关闭，从而当所述电枢组件在所述腔内部移动时，改变所述第一端口和第二端口中的压降。
12.如权利要求1所述的伺服阀，其中，特氟隆层沉积在所述电枢组件的表面上，以起到轴承的作用。
13.一种伺服阀，其包括具有第一端盖和第二端盖的腔，第一端盖和第二端盖具有向第一端口和第二端口开口的第一先导阀座和第二先导阀座；力马达，其包括具有定子线圈的定子，定子形成所述腔的圆筒形部分，其中所述力马达还包括响应于所述定子线圈中的电流而能在所述腔内部移动的电枢组件，其中所述电枢组件用弹性元件保持在所述腔的各端，其中所述电枢组件包括多个先导阀，其通过与所述腔的接合形成，其中当先导端与所述第一先导阀座和第二先导阀座之一接合时，形成所述多个先导阀中的每个先导阀；和多个与所述电枢组件相接触的导向/止挡件，其中所述多个导向/止挡件形成所述力马达的所述定子的一部分；其中所述多个导向/止挡件利用周向轴承元件接触所述电枢组件上的提升端；和第三端口，所述第三端口与所述腔连接在一起，并配置成接收一定压力下的流体。
14.如权利要求13所述的伺服阀，其中，所述圆周轴承元件由高密度聚乙烯制成。
15.如权利要求13所述的伺服阀，其中，所述圆周轴承元件被用作摩擦接触表面。
16.如权利要求13所述的伺服阀，其中，所述电枢组件还包括电枢基体；和多个连接到所述电枢基体上的磁体，其中所述多个磁体在相对的方向上被轴向磁极化。
17.如权利要求16所述的伺服阀，其中，利用所述圆周轴承元件强迫所述电枢组件接触所述多个导向/止挡件形成气隙，其中所述气隙的尺寸设计成，确保当所述电枢组件在外部振动力的作用下在非侧向方向上移动时，在所述多个导向/止挡件和所述电枢基体之间不存在额外的接触。
18.如权利要求16所述的伺服阀，还包括位于所述电枢基体和所述多个导向/止挡件中的一个导向/止挡件上的表面特征，其中所述表面特征是倾斜的，以改变第一气隙和第二气隙的磁路以及所述多个导向/止挡件中的所述一个导向/止挡件与所述电枢基体之间的泄漏路径，借此通过调节所述表面特征，可以调节磁力对于所施加的输入电流的线性度。
19.如权利要求18所述的伺服阀，其中，其中一个所述表面特征是倾斜特征，该倾斜特征影响所述多个导向/止挡件中的所述一个导向/止挡件与所述电枢基体之间的漏磁路径。
20.如权利要求18所述的伺服阀，其中，所述多个导向/止挡件中至少一个的表面特征包括配置成近似凹形形状的台阶状表面，其中可以调节所述凹形形状的长度来加长比例行程，所述比例行程的线性度可通过所述台阶状表面近似所述凹形形状的程度来调节。
21.如权利要求18所述的伺服阀，还包括所述定子线圈周向缠绕在环绕所述腔的绕线筒组件中，其中当所述定子线圈通电时，定子线圈产生磁通，该磁通与所述多个磁体的磁通相互作用，产生侧向力。
22.如权利要求21所述的伺服阀，其中，根据所述定子线圈中的所述电流的方向，由所述定子线圈产生的所述磁通援助或减少由所述多个磁体中的一个产生的所述磁通，并援助由所述多个磁体中的另一个产生的所述磁通。
23.一种伺服阀，其包括具有第一端盖和第二端盖的腔，第一端盖和第二端盖具有向第一端口和第二端口开口的第一先导阀座和第二先导阀座；力马达，其包括具有定子线圈的定子，定子形成所述腔的圆筒形部分，其中所述力马达还包括响应于所述定子线圈中的电流而能在所述腔内部移动的电枢组件，其中所述电枢组件用弹性元件保持在所述腔的各端，其中所述电枢组件包括多个先导阀，其通过与所述腔的接合形成，其中当先导端与所述第一先导阀座和第二先导阀座之一接合时，形成所述多个先导阀中的每个先导阀；和配置成接合圆筒形轴承元件的非磁性轴，其中所述非磁性轴与所述弹性元件连接在一起，所述弹性元件起作用，以使所述电枢组件定中于所述第一先导阀座和第二先导阀座之间；和多个与所述电枢组件相接触的导向/止挡件，其中所述多个导向/止挡件形成所述力马达的所述定子的一部分；和第三端口，所述第三端口与所述腔连接在一起，并配置成接收一定压力下的流体。
24.如权利要求23所述的伺服阀，其中，所述圆筒形轴承元件在轴承表面接合所述非磁性轴。
25.如权利要求23所述的伺服阀，其中，当所述电枢组件侧向左右移动时，所述非磁性轴的各先导端能够被操作，以便与所述第一先导阀座和第二先导阀座之一相接合。
26.如权利要求23所述的伺服阀，其中，所述圆筒形轴承元件开有端口，这样流体被传送到所述非磁性轴的先导端与所述第一先导阀座和第二先导阀座其中之一之间的体积中。
27.如权利要求23所述的伺服阀，其中，所述电枢组件还包括电枢基体；和多个连接到所述电枢基体上的磁体，其中所述多个磁体在相对的方向上被轴向磁极化。
28.如权利要求27所述的伺服阀，还包括位于所述电枢基体和所述多个导向/止挡件中的一个导向/止挡件上的表面特征，其中所述表面特征是倾斜的以改变第一气隙和第二气隙的磁路以及所述多个导向/止挡件中的所述一个导向/止挡件与所述电枢基体之间的泄漏路径，借此通过调节所述表面特征，可以调节磁力对于所施加的输入电流的线性度。
29.如权利要求28所述的伺服阀，其中，其中一个所述表面特征是倾斜特征，该倾斜特征影响所述多个导向/止挡件中的所述一个导向/止挡件与所述电枢基体之间的漏磁路径。
30.如权利要求28所述的伺服阀，其中，所述多个导向/止挡件中至少一个的表面特征包括配置成近似凹形形状的倾斜的台阶状表面，其中可以调节所述凹形形状的长度来加长比例行程，所述比例行程的线性度可通过所述台阶状表面近似所述凹形形状的程度来调节。
31.如权利要求28所述的伺服阀，其中，配置成近似所要求的凹面的倾斜的台阶状表面具有从所述轴朝离心方向的凹进部分，该台阶状表面还包括多个直径朝电枢组件逐渐减少的圆柱形表面。
32.如权利要求27所述的伺服阀，还包括所述定子线圈周向缠绕在环绕所述腔的绕线筒组件中，其中当所述定子线圈通电时，定子线圈产生磁通，该磁通与所述多个磁体的磁通相互作用，产生侧向力。
33.如权利要求32所述的伺服阀，其中，根据所述定子线圈中的所述电流的方向，由所述定子线圈产生的所述磁通援助或减少由所述多个磁体中的一个产生的所述磁通，并援助由所述多个磁体中的另一个产生的所述磁通。
34.如权利要求23所述的伺服阀，其中，所述非磁性轴通过连接到非磁性轴上的压缩弹簧在空间上刚性增强。
35.如权利要求34所述的伺服阀，其中，所述非磁性轴在磁通的作用下位移，压缩所述压缩弹簧，同时所述非磁性轴保持与轴承表面的接触。
全文摘要
一种伺服阀，其具有嵌入在主流体腔中的微型力马达，来直接在两个喷嘴之间操作，以在两个端口中产生压差。微型力马达包括在相对的磁极方向上的两个盘环形磁体；电枢基体；和磁性材料制成的提升端，其与具有先导端的电枢轴连接在一起，先导端在各电枢轴端处接合以形成先导级阀。电枢轴贯穿磁体、电枢基体和提升端中的中心孔，并接合各端处允许侧向电枢运动的轴承元件。两个弹性元件对电枢组件提供回复力。导向/止挡件形成磁性表面，以控制磁路，使力与行程的关系线性化，以及增加电枢的比例行程。
文档编号B60G17/052GK101031748SQ200580024144
公开日2007年9月5日 申请日期2005年6月13日 优先权日2004年6月14日
发明者Y·H·徐, R·D·桑切斯, S·赵, B·费恩斯蒂尔 申请人:美蓓亚株式会社