本发明公开了一种阶梯型盘式比例电磁铁，包括衔铁(2)和推杆(6)等；衔铁(2)包括底部(21)、环形侧壁(20)和外圈(25)，环形侧壁(20)的端面为台阶面(22)，环形侧壁(20)与导磁外壳体(9)之间的间隙形成径向工作气隙Ⅰ(203)，环形侧壁(20)与导磁铁芯柱(8)之间的间隙形成径向工作气隙Ⅱ(204)，外圈(25)与导磁外壳体(9)之间的间隙形成轴向工作气隙Ⅲ(201)，底部(21)与导磁铁芯柱(8)之间的间隙形成轴向工作气隙Ⅳ(202)；在导磁铁芯柱(8)与导磁外壳体(9)所形成的环形空间内设置永磁体(4)。该比例电磁铁具有比例特性好等特点。
1.一种阶梯型盘式比例电磁铁，包括中空的导磁外壳体(9)、内设空腔的导磁铁芯柱(8)、控制线圈(7)、衔铁(2)和推杆(6)；导磁铁芯柱(8)套装在导磁外壳体(9)的内腔中，在导磁铁芯柱(8)与导磁外壳体(9)所形成的环形空间内设置控制线圈(7)，其特征是：所述衔铁(2)包括底部(21)和与底部(21)固定相连的环形侧壁(20)，所述环形侧壁(20)的端面为外围高中间低的台阶面(22)，在环形侧壁(20)的外表面设置与底部(21)相齐平的外圈(25)，环形侧壁(20)位于导磁铁芯柱(8)与导磁外壳体(9)所形成的环形空间内；环形侧壁(20)的外表面与导磁外壳体(9)之间的间隙形成径向工作气隙I(203)，环形侧壁(20)的内表面与导磁铁芯柱(8)之间的间隙形成径向工作气隙II(204)，衔铁(2)的外圈(25)与导磁外壳体(9)之间的间隙形成轴向工作气隙III(201)，衔铁(2)的底部(21)与导磁铁芯柱(8)之间的间隙形成轴向工作气隙IV(202)；所述推杆(6)贯穿导磁铁芯柱(8)和衔铁(2)的底部(21)，推杆(6)与衔铁(2)固定相连，推杆(6)与导磁铁芯柱(8)滑动相连；在导磁铁芯柱(8)与导磁外壳体(9)所形成的环形空间内还设置永磁体(4)，所述永磁体(4)位于环形侧壁(20)和控制线圈(7)之间。
2.根据权利要求1所述的阶梯型盘式比例电磁铁，其特征是：所述环形侧壁(20)由外圈环形侧壁(23)和内圈环形侧壁(24)组成，外圈环形侧壁(23)的外表面与导磁外壳体(9)之间的间隙形成径向工作气隙I(203)，内圈环形侧壁(24)的内表面与导磁铁芯柱(8)之间的间隙形成径向工作气隙II(204)。
3.根据权利要求2所述的阶梯型盘式比例电磁铁，其特征是：所述外圈环形侧壁(23)轴向长度为L1，内圈环形侧壁(24)的轴向长度为L2，L1＝L2+0.5～2.5mm；所述外圈环形侧壁(23)的径向长度H1＞2mm，内圈环形侧壁(24)的径向长度H2＞2mm。
4.根据权利要求2或3所述的阶梯型盘式比例电磁铁，其特征是：所述永磁体(4)为环状永磁体，其磁化方向为径向辐射向。
5.根据权利要求4所述的阶梯型盘式比例电磁铁，其特征是：在底部(21)与导磁铁芯柱(8)之间的间隙内设置非导磁材料制成的限位片(3)，所述限位片(3)套装在推杆(6)上。
6.根据权利要求5所述的阶梯型盘式比例电磁铁，其特征是：滑动支撑部件(5、10)与导磁铁芯柱(8)固定相连，推杆(6)在滑动支撑部件(5、10)中滑动。
7.根据权利要求6所述的阶梯型盘式比例电磁铁，其特征是：在导磁外壳体(9)上设有与导磁外壳体(9)的内腔相连通的导线孔(92)。
8.根据权利要求7所述的阶梯型盘式比例电磁铁，其特征是：导磁铁芯柱(8)、导磁外壳体(9)和衔铁(2)均为导磁体，推杆(6)由非导磁材料制成。
9.根据权利要求8所述的阶梯型盘式比例电磁铁，其特征是：外圈环形侧壁(23)轴向长度L1为5.5～8mm，内圈环形侧壁(24)的轴向长度L2为5～5.5mm；且L1＝L2+0.5～
阶梯型盘式比例电磁铁
技术领域
[0001] 本发明涉及一种盘式结构的比例电磁铁。
背景技术
[0002] 比例电磁铁具有水平的位移—力特性，是一种具有比例控制特性的电—机械转换器件，广泛应用于各种比例控制系统中。发明专利CN200910097989公开了一种双锥形盘式比例电磁铁，采用双锥形盘式衔铁的结构，利用衔铁的锥角在通电时处于磁饱和状态的特点，实现了力的比例特性。但是衔铁锥角的尺寸作为影响电磁铁性能的敏感参数，工艺复杂，尺寸精度难以保证，同时衔铁锥角的磁饱和现象也限制了电磁铁输出力的进一步提高。
发明内容
[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种具有比例特性好、输出力大的阶梯型盘式比例电磁铁。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种阶梯型盘式比例电磁铁，包括中空的导磁外壳体、内设空腔的导磁铁芯柱、控制线圈、衔铁和推杆；导磁铁芯柱套装在导磁外壳体的内腔中，在导磁铁芯柱与导磁外壳体所形成的环形空间内设置控制线圈，衔铁包括底部和与底部固定相连的环形侧壁，环形侧壁的端面为外围高中间低的台阶面，在环形侧壁的外表面设置与底部相齐平的外圈，环形侧壁位于导磁铁芯柱与导磁外壳体所形成的环形空间内；环形侧壁的外表面与导磁外壳体之间的间隙形成径向工作气隙Ⅰ，环形侧壁的内表面与导磁铁芯柱之间的间隙形成径向工作气隙Ⅱ，衔铁的外圈与导磁外壳体之间的间隙形成轴向工作气隙Ⅲ，衔铁的底部与导磁铁芯柱之间的间隙形成轴向工作气隙Ⅳ；推杆贯穿导磁铁芯柱和衔铁的底部，推杆与衔铁固定相连，推杆与导磁铁芯柱滑动相连；在导磁铁芯柱与导磁外壳体所形成的环形空间内还设置永磁体，永磁体位于环形侧壁和控制线圈之间。
[0005] 作为本发明的阶梯型盘式比例电磁铁的改进：环形侧壁由外圈环形侧壁和内圈环形侧壁组成，外圈环形侧壁的外表面与导磁外壳体之间的间隙形成径向工作气隙Ⅰ，内圈环形侧壁的内表面与导磁铁芯柱之间的间隙形成径向工作气隙Ⅱ。
[0006] 作为本发明的阶梯型盘式比例电磁铁的进一步改进：外圈环形侧壁轴向长度为L1，内圈环形侧壁的轴向长度为L2，L1＝L2+0.5～2.5mm；外圈环形侧壁的径向长度H1＞2mm，内圈环形侧壁的径向长度H2＞2mm。
[0007] 作为本发明的阶梯型盘式比例电磁铁的进一步改进：永磁体为环状永磁体，其磁化方向为径向辐射向。
[0008] 作为本发明的阶梯型盘式比例电磁铁的进一步改进：在底部与导磁铁芯柱之间的间隙内设置非导磁材料制成的限位片，限位片套装在推杆上。
[0009] 作为本发明的阶梯型盘式比例电磁铁的进一步改进：滑动支撑部件与导磁铁芯柱固定相连，推杆在滑动支撑部件中滑动。
[0010] 作为本发明的阶梯型盘式比例电磁铁的进一步改进：在导磁外壳体上设有与导磁外壳体的内腔相连通的导线孔。
[0011] 作为本发明的阶梯型盘式比例电磁铁的进一步改进：导磁铁芯柱、导磁外壳体和衔铁均为导磁体，推杆由非导磁材料制成。
[0012] 作为本发明的阶梯型盘式比例电磁铁的进一步改进：外圈环形侧壁轴向长度L1为5.5～8mm，内圈环形侧壁的轴向长度L2为5～5.5mm；且L1＝L2+0.5～2.5mm。
[0013] 在本发明的阶梯型盘式比例电磁铁中，永磁体为环状永磁体，其由一块或多块永磁材料组成，其磁化方向为径向辐射向。
[0014] 本发明的阶梯型盘式比例电磁铁与背景技术相比，具有以下有益效果：
[0015] 1、采用阶梯型衔铁结构的比例电磁铁，有效地结合了传统螺管式比例电磁铁和盘式电磁铁的优点，提高了输出力，并具有良好的比例特性。
[0016] 2、阶梯型盘式结构的衔铁，结构简单，工艺性能好，价格便宜。
[0017] 3、控制线圈和永磁体产生的电磁力相互补偿，从而实现了比例特性。
[0018] 4、当控制线圈不通电时，永磁体建立的极化磁通不经过工作气隙，因此避免了通常永磁体结构所固有的自锁力；
[0019] 5、当控制线圈通电后，永磁体产生的极化磁通与控制线圈产生的控制磁通相叠加，增强了工作气隙的磁通。
[0020] 本发明的阶梯型盘式比例电磁铁的静态特性曲线如图7所示，能够满足比例特性的输出要求。将本发明的阶梯型盘式比例电磁铁与发明专利CN200910097989的双锥形盘式比例电磁铁的结构和性能进行综合指标对比，表明本发明的阶梯型盘式比例电磁铁不仅具有良好的水平特性，而且输出力大。具体对比数据如表1所示：
[0021] 表1
[0022]
[0023] 由表1得知：本发明的额定电磁输出力比双锥型盘式比例电磁铁增加了25％。
[0024] 因此，本发明的阶梯型盘式比例电磁铁，可广泛应用于内燃机、小型或微型阀配油式单柱塞泵和比例阀。
附图说明
[0025] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
[0026] 图1是本发明的阶梯型盘式比例电磁铁的结构示意图；
[0027] 图2是图1中的永磁体4的结构示意图；
[0028] 图2中：左图为单块永磁材料制成的呈环状的永磁体4，右图是两块永磁材料拼接制成的呈环状的永磁体4；
[0029] 图3是图1放大后的局部示意图；
[0030] 图4是本发明的阶梯型盘式比例电磁铁仅含导磁材料(衔铁2、导磁外壳体9、导磁铁芯柱8)和永磁体4于不通电时的半剖结构磁场图；
[0031] 图5是本发明的阶梯型盘式比例电磁铁仅含导磁材料(衔铁2、导磁外壳体9、导磁铁芯柱8)和永磁体4于通电时的半剖结构磁场图；
[0032] 图6是本发明的阶梯型盘式比例电磁铁的水平力特性原理；
[0033] 图7是本发明的阶梯型盘式比例电磁铁的位移—力特性曲线；
[0034] 图8是本发明的阶梯型盘式比例电磁铁不通电时的电磁力。
具体实施方式
[0035] 图1～图3结合给出了一种阶梯型盘式比例电磁铁，包括固定螺母1、衔铁2、限位片3、永磁体4、推杆6、控制线圈7、内设空腔的导磁铁芯柱8、中空的导磁外壳体9；衔铁2、导磁铁芯柱8和导磁外壳体9均由软磁材料制成，推杆6由非导磁材料制成。
[0036] 导磁外壳体9是一个中空的立方型壳体，导磁铁芯柱8套装在导磁外壳体9的内腔中，导磁铁芯柱8与导磁外壳体9固定相连；在导磁铁芯柱8与导磁外壳体9所形成的环形空间内分别设置永磁体4及控制线圈7。
[0037] 在导磁外壳体9的内腔中设有与导磁外壳体9固定相连的挡块91，永磁体4位于挡块91的右侧和控制线圈7之间。此永磁体4为环状永磁体，其磁化方向为径向辐射向；即，永磁体4的磁化方向垂直于导磁铁芯柱8的中心轴线。永磁体4可由单块或多块(例如两块)永磁材料制成，如图2所示。在导磁外壳体9上设有与导磁外壳体9的内腔相连通的导线孔92，此导线孔92位于挡块91的右侧，控制线圈7的导线可穿过此导线孔92后与控制线圈7相连。
[0038] 衔铁2包括底部21和与底部21固定相连的环形侧壁20，整个衔铁2位于挡块91的左侧。环形侧壁20的端面(该端面与底部21相平行)为外围高中间低的台阶面22，因此将环形侧壁20分成了外圈环形侧壁23和内圈环形侧壁24这2部分。在外圈环形侧壁23的外表面设置与底部21相齐平的外圈25，外圈25的左侧面与底部21的左侧面相齐平，外圈25的右侧面与底部21的右侧面相齐平，即，外圈25的厚度＝底部21的厚度。外圈环形侧壁23轴向长度L1为5.5～8mm，外圈环形侧壁23的径向长度H1＞2mm(例如为4mm)，内圈环形侧壁24的轴向长度L2为5～5.5mm，内圈环形侧壁24的径向长度H2＞2mm(例如为6.5mm)。一般来说，L1＝L2+0.5～2.5mm。整个衔铁2采用一体式制成。
[0039] 环形侧壁20(包括外圈环形侧壁23和内圈环形侧壁24)位于导磁铁芯柱8与导磁外壳体9所形成的环形空间内；外圈环形侧壁23的外表面与导磁外壳体9之间的间隙形成径向工作气隙Ⅰ203，内圈环形侧壁24的内表面与导磁铁芯柱8之间的间隙形成径向工作气隙Ⅱ204，衔铁2的外圈25与导磁外壳体9之间的间隙形成轴向工作气隙Ⅲ201，衔铁2的底部21与导磁铁芯柱8之间的间隙形成轴向工作气隙Ⅳ202。
[0040] 径向工作气隙Ⅰ203一般为0.2～0.3mm(即外圈环形侧壁23的外表面与导磁外壳体9内表面之间的间隙)。径向工作气隙Ⅱ204一般为0.2～0.3mm(即内圈环形侧壁24的内表面与导磁铁芯柱8外表面之间的间隙)。轴向工作气隙Ⅲ201和轴向工作气隙Ⅳ202均在1～5mm之间变换。因此，轴向工作气隙Ⅲ201和轴向工作气隙Ⅳ202的最小工作气隙状态为1mm处，最大工作气隙为5mm处，空行程为5～9mm。轴向工作气隙Ⅲ201＝轴向工作气隙Ⅳ202；即，导磁外壳体9的左端面和导磁铁芯柱8的左端面在同一条竖线上。
[0041] 衔铁2的底部21设有通孔；在导磁铁芯柱8空腔的左右两侧内分别设置用于支撑推杆6的滑动支撑部件5和滑动支撑部件10，推杆6贯穿滑动支撑部件10、滑动支撑部件5和底部21的通孔后被固定螺母1固定于底部21，从而实现推杆6与衔铁2的固定相连。
由于推杆6的左右两侧分别由滑动支撑部件5和滑动支撑部件10支撑，从而实现推杆6与导磁铁芯柱8的滑动相连。
[0042] 在轴向工作气隙202内装有非导磁材料制成的限位片3，该限位片3套装在推杆6的外表面，该限位片3的作用是消除小气隙时的输出力特性非比例段。
[0043] 本发明的阶梯型盘式比例电磁铁的工作原理如图4和图5所示，具体如下：
[0044] 当控制线圈7不通电时，如图4所示，永磁体4建立极化磁场，极化磁场基本通过永磁体4-导磁外壳体9-导磁铁芯柱8-永磁体4形成闭合磁路，仅有少量漏磁通过衔铁2。图8是不通电时候的电磁力，由此可看出，在1～5mm的工作行程内的输出电磁力很小，将其视为摩擦力的一部分而忽略。因此，可认为阶梯型盘式比例电磁铁不具有自锁力。
[0045] 当控制线圈7通给一定极性的电流后，如图5所示，控制线圈7产生的控制磁场和永磁体4产生的极化磁场相互叠加，控制磁场形成了导磁外壳体9-径向工作气隙Ⅰ203或轴向工作气隙Ⅲ201-衔铁2-径向工作气隙Ⅱ204或轴向工作气隙Ⅳ202-导磁铁芯柱8的闭合磁路，极化磁场形成了永磁体4-导磁外壳体9-径向工作气隙Ⅰ203或轴向工作气隙Ⅲ201-衔铁2-径向工作气隙Ⅱ204或轴向工作气隙Ⅳ202-导磁铁芯柱8的闭合磁路。如图6所示，控制线圈7产生了轴向电磁力F1，永磁体4产生了轴向电磁力F2，两者相互补偿，从而实现了水平力F。
[0046] 最后，还需要注意的是，以上列举的仅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。
