一种具有磁断路器结构挡铁的比例电磁铁的制作方法

本发明专利涉及一种比例电磁铁，尤其是应用于各种比例电磁阀及直接输出电磁力的带磁断路器结构挡铁的比例电磁铁。

背景技术：

比例电磁铁是比例电磁阀的关键驱动部件，具有输出电磁力与输入电信号几乎成线性一一对应关系的特点，因此得名比例电磁铁。比例电磁铁在较大的行程范围内均具有良好的线性特征，并且噪声小，广泛应用于各种类型的比例电磁阀，也作为单独的驱动原件输出电磁力以驱动其他机械结构实现电控信号下的动作。

传统的比例电磁铁均基于“磁力线理论”及“磁分路器结构”，设置由带有“磁分路器”结构的挡铁，并且配合极靴与衔铁的结构实现电磁场在比例电磁铁内部的分配，从而实现衔铁与挡铁之间间距（即衔铁的行程）不同时，线圈电流一定时电磁力基本保持不变，进而电磁铁通过衔铁输出的电磁力主要与输入信号在线圈内产生的等效电流成正比例关系。基于磁力线理论和“磁分路器结构”的比例电磁铁对于产品的制造有较高的要求，体现在衔铁运动时衔铁的轴心与极靴及挡铁的轴心保持较好的同心性，由于机械制造误差的存在，必须给运动输出电磁力的衔铁提供较低摩擦系数的材料以支撑衔铁的往复运动。由于需要采用摩擦材料支撑衔铁的往复运动，衔铁与挡铁、极靴之间必须提供较大的间隙以使摩擦材料制造的零件能够被安装。从磁阻理论，留给摩擦材料的间隙在比例电磁铁的内部造成了较大的“等效磁阻”，显著的降低了磁场的利用率。在液压比例电磁阀中，这样的摩擦材料经常受到工作介质的污染使电磁铁产生运动不灵活导致比例电磁阀的失效。

中国发明专利授权号“cn103050217b”为代表的专利结构充分体现了磁力线理论及“磁分路器结构”，其具有典型的带有磁分路器的挡铁、衔铁和及极靴的核心结构特征。该专利结构中的双支撑结构较好的解决了衔铁往复运动所需摩擦副的问题，但是对产品的制造仍然有较高的要求，存在零部件加工难度大，产品装配要求高导致批量生产质量不够稳定的问题。同时，由于结构的限制，衔铁和挡铁之间形成的空隙以及衔铁与极靴之间的空隙，同样存在等效磁阻较大，输入信号激励线圈产生的磁能利用率不高的问题。

中国发明专利授权号“cn103714940b”代表了另外一类磁力线理论和磁分路器结构。其使用连接环将挡铁与极靴连接成一体的结构有效的降低了产品制造的难度，并且可以实现衔铁与挡铁及极靴之间较小的配合间隙，减小部分等效磁阻。但其为制造降低难度而存在的通孔结构的挡铁，使得电磁铁的磁阻整体有所增加，存在比例电磁铁对输入电信号激励线圈产生的磁场能量利用率不高的问题。同时，由于衔铁没有其他零件支撑而与挡铁、极靴直接接触形成摩擦副配合间隙较小，存在污染物进入摩擦副导致衔铁运动不灵活的情况，该结构存在抗污染能力不高的问题。

在中国专利授权号“cn1272553c”的专利中，其不锈钢材质的薄壁筒与衔铁组成摩擦副的结构是典型一类比例电磁铁结构，同样存在不锈钢薄壁筒导致的等效磁阻增加的问题。同时，薄壁不锈钢套筒本身就有较高的制造难度，存在质量稳定性的问题。

中国专利申请号为“cn201721437952.5”的实用新型专利中，其设置v型槽的导套结构基于传统的磁力线理论，实现了近似比例电磁铁行程变化电磁力基本不变的“水平”特性，但其磁能利用率偏低，比例电磁铁的“水平”特性较前述几个专利较差，仍然是基于传统“磁力线理论”的结构。尤其是采用对导套热处理方式来减少v型结构“漏磁”产生的磁能利用率较低的方式，在实际工程中会带来批量生产的产品散差大，一致性不好的问题。

总体来说，受制于基础理论研究的不深入，国内比例电磁铁一直没有突破基础理论的限制，没有彻底解决零部件加工制造难度大、批量生产质量不稳定和磁能利用效率不高的问题。

技术实现要素：

为了解决现有比例电磁铁零部件加工制造难度大，产品组装要求高，抗污染能力不高以及磁能利用率低的缺点，本发明提供了一种基于基础理论研究成果的，零部件制造难度较低，产品组装简单，磁能利用效率高的比例电磁铁结构。

本发明专利的技术解决方案：(详见权利要求书)

本发明专利所具有的优点：

1、本发明采用带有横截面为三角形或圆弧形或矩形的分段圆弧形或螺旋线形的沟槽结构磁断路器的挡铁，实现了挡铁和极靴的一体式集成，有效增加了挡铁沿电磁铁轴线方向的磁阻，减少了磁场直接沿挡铁形成的回路引起的磁能损失。

2、本发明专利采用薄膜与衔铁部件组成摩擦副，具有摩擦系数小，电磁铁性能受摩擦影响小的优点。

3、本发明专利采用薄膜和衔铁组成的摩擦副，挡铁与衔铁之间轴线间隙小，降低了等效磁阻，提高比例电磁铁对磁能的利用效率。

4、本发明专利采用薄膜和衔铁组成的摩擦副，产品组装过程简单，产品合格率高。

5、本发明专利采用具有磁断路器结构的一体式挡铁，显著降低了挡铁的加工难度，并且可显著降低因运输等过程造成零件损伤对产品性能的影响，可显著降低产品成本。

附图说明

图1为本发明具有磁断路器结构挡铁的比例电磁铁的结构原理图；

图2为本发明具有磁断路器结构挡铁的比例电磁铁的工作原理示意图；

图3为本发明具有磁断路器结构挡铁的比例电磁铁的磁断路器为单螺旋线形的示意图；

图4为本发明具有磁断路器结构挡铁的比例电磁铁的磁断路器为多螺旋线形的示意图；

图5为本发明具有磁断路器结构挡铁的比例电磁铁的磁断路器为多段圆弧形的示意图。

其中附图标记为：1-左磁路板，2-轭铁，3-垫片，4-顶杆，5-衔铁，6-右磁路板，7-盖板，71-接触环，8-薄膜、9-挡铁，91-左圆锥面，92-圆柱面，92a-磁断路器，93-右圆锥面，94-小孔，95-大孔，10-线圈。

具体实施方式

如图1所示，一种具有磁断路器结构挡铁的比例电磁铁，其关键技术是：由左磁路板1、轭铁2、垫片3、顶杆4、衔铁5、右磁路板6、盖板7、薄膜8，带磁断路器（92a）的挡铁9、线圈10等组成。

左磁路板1和右磁路板6均由软磁材料构成，用于形成比例电磁铁内部的磁场回路。轭铁2由软磁材料构成，用于形成比例电磁铁的磁场回路，同时用于安装定位左磁路板1、右磁路板6、盖板7和线圈10。垫片3由非导磁材料构成，用于防止电磁铁吸合时衔铁5左端面与挡铁9内的大孔95底部贴合导致的电磁铁剩磁过大的问题。顶杆4由非导磁材料构成，表面设置有沟槽用于连通挡铁9内小孔94和衔铁5内的通孔，衔铁5由软磁材料构成，顶杆4和衔铁5铆接成一体；盖板7由非导磁材料构成，设置有非连续圆弧形凸起结构的接触环71，接触环71用于预防比例电磁铁浸入液体使用时，衔铁5的右端面与盖板7贴合导致的工作阻力问题。挡铁9由软磁材料构成，设置有相连的左圆锥面91、圆柱段92和右圆锥面93，圆柱面92上设置有横截面形状为三角形、半圆形或矩形的磁分路器92a，磁分路器92a环绕圆柱面92圆周方向一周，环绕方式为圆环形，螺旋线形或多个圆弧链接，当环绕形状为多段不连续圆弧时，各圆弧段沿圆柱面92轴线排列。左圆锥面91、圆柱段92、右圆锥面93和磁断路器92a共同组成了比例电磁铁中的磁分路器结构。线圈10由塑料、漆包线和铜质电插针组成，用于接收驱动电信号产生磁场驱动衔铁5通过顶杆4向外输出电磁力。

该比例电磁铁的工作原理为：如图2所示，图中箭头为模拟磁力线。当线圈通电产生磁场时，磁力线（即磁场粒子的运动轨迹）经轭铁（图1中序号2），左磁路板（图1中序号1）、右磁路板（图1中序号6）、衔铁（图1中序号5）和挡铁（图1中序号9）组成闭合的磁场回路。由于软磁材料本身也存在磁阻，磁力线（即磁场粒子的运动轨迹）在避免磁场粒子拥塞的情况下，在挡铁（图1中序号9）设置的左圆锥面（图1中序号91）、圆柱段（图1中序号92）和右圆锥面（图1中序号93）以及内设的大孔（图1中序号95）的底部与衔铁（图1中序号5）共同构成磁分路器，形成了构成比例电磁铁的核心结构特征。由于挡铁（（图1中序号9）上设置的左圆锥面（图1中序号91）、圆柱段（图1中序号92）和右圆锥面（图1中序号93）由同一软磁材料制成，具有较小的磁阻，因此磁力线（即磁场粒子的运动轨迹）沿左圆锥面（图1中序号91）、圆柱段（图1中序号92）和右圆锥面（图1中序号93）分布较为密集，而此处分布的磁力线（即磁场粒子的运动轨迹）因不经过衔铁（图1中序号5），并不能作用于衔铁（图1中序号5）产生电磁铁工作时对外输出的电磁力，造成了磁场能力利用率的降低。减薄挡铁（图1中序号9）上圆柱段（图1中序号92）的壁厚可以有效提高磁能利用率，但过薄的壁厚又因缺少必要的结构强度使挡铁（图1中序号9）存在碰撞变形和热变形的情况。

磁断路器（图1中序号92a）结构为在具有一定壁厚的圆柱段（图1中92）设置截面形状为三角形、矩形或圆弧形的沟槽，该沟槽沿圆柱段（图1中92）的圆柱表面环绕一周，沿挡铁（图1中序号9）轴向螺旋线形分布，或由分割为多段螺旋线形沟槽沿圆柱段（图1中92）沿挡铁（图1中序号9）轴向螺旋线形分布，也可为由多段与圆柱段（图1中序号92）横截面平行的沟槽，沿环形槽挡铁（图1中序号9）轴向分布。由于磁力线为光滑矢量曲线（即磁场粒子运动轨迹为矢量），沿左圆锥面（图1中序号91）、圆柱段（图1中序号92）和右圆锥面（图1中序号93）形成闭合回路时，在磁断路器（图1中序号92a）的沟槽结构时，磁力线不能沿磁断路器（图1中序号92a）沟槽的横截面边缘形成回路，从而只能沿磁断路器（图1中序号92a）沟槽的底部的切线方向继续前进。在磁断路器（图1中序号92a）的沟槽底部形成磁场粒子涡流，从而形成了较大的磁阻。由于磁力线（即磁场粒子的运动轨迹）具有构成最小磁阻（序号92a考虑磁场粒子拥塞导致的磁阻）回路的特性，沿左圆锥面（图1中序号91）、圆柱段（图1中序号92）和右圆锥面（图1中序号93）形成的闭合磁力线回路显著减小，强制使磁力线穿过衔铁（图1中序号5）形成回路，从而成为比例电磁铁通过衔铁（图1中序号5）产生电磁吸力进而通过与衔铁（图1中5）连接成一体的顶杆（图1中序号4）向外输出电磁力。

由于磁分路器结构和磁断路器结构的存在，在输入给线圈（图1中序号10）的电信号维持不变的情况下，当衔铁（图1中序号5）与挡铁（图1中序号9）内的大孔(图1中序号95)底部的距离变化时，衔铁（图1中序号5）上受到的电磁吸力基本不随该距离的变化而变化，维持一个较为平稳的值。因此简化认为电磁铁输出的电磁力仅与输入电信号的大小成比例，形成比例电磁铁的输出线性特征。

实际应用表明，该比例电磁铁具有较高的磁能利用效率（即同等输入功率的情况下输出电磁力较大），具有较好的抗污染性，零件加工容易实现，批量制造稳定性好，广泛应用于各种比例电磁阀和直接驱动机械机构的运动。

对于该比例电磁铁，输出力与电流i之间的关系为：

其中，——电磁吸力（随电流变化）

i——电流值（可控输入量）

——比例系数（结构确定后为定值）。