專利名稱：用于電磁閥的快速響應(yīng)螺線管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及螺線管，尤其涉及與閥一起作用來控制閥工作的螺線管。
背景技術(shù)：
人們已知這樣的一種電磁閥其包括用來支撐導(dǎo)線線圈繞組的筒管。典型地由如鐵這樣的導(dǎo)電材料制成的靜止鐵芯或極板安裝在筒管中心孔附近?？梢苿?dòng)電樞可滑動(dòng)地放置在筒管的開孔里，從而當(dāng)電流流過線圈的繞組時(shí)，促使電樞向著靜止極板轉(zhuǎn)移。這種電樞的轉(zhuǎn)移可通過使用與電樞相連接的推銷機(jī)械式地驅(qū)動(dòng)閥組件，其中推銷還與位于閥體內(nèi)的閥組件連接。一個(gè)偏壓裝置通常用來促使閥組件返回到起始位置，其也促使電樞返回到非勵(lì)磁位置。因此這些電磁閥的一個(gè)工作周期為從線圈的開始勵(lì)磁到電樞返回到起始位置所需的時(shí)間。
當(dāng)希望通過減少閥體的尺寸大小以使用于特定操作的閥數(shù)量達(dá)到最大時(shí)，有必要減少線圈的繞組尺寸，從而減少在電樞和極板之間的吸引力和/或減少閥的工作速度。為了解決這個(gè)問題，需要改變螺線管的幾何形狀使得線圈的幾何形狀大體上為矩形，以使線圈能在螺線管的寬度內(nèi)具有相同的繞組數(shù)量來滿足必要的使用需求。矩形線圈及其結(jié)構(gòu)的實(shí)例已于2004年3月2日公開在Sato等人的美國(guó)專利6,698,713中，Sato等人的這項(xiàng)專利還定義了一個(gè)計(jì)算電樞和極板之間產(chǎn)生的吸引力大小以及功耗的方法。
Sato的美國(guó)專利揭露了長(zhǎng)軸或螺線管內(nèi)部線圈一側(cè)的長(zhǎng)度“A”與短軸或螺線管內(nèi)部線圈一側(cè)的長(zhǎng)度“B”的比率具有的關(guān)系可表示為1.3≤A/B≤3.0。Sato的這個(gè)比率限定范圍限制了螺線管的幾何形狀，由此阻礙了理想的電磁功率和/或閥的工作速度在窄或緊排列的螺線管/閥的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的電磁閥的快速響應(yīng)螺線管包括大體上為矩形截面的筒管。線圈纏繞著所述筒管。靜止極板相對(duì)所述筒管固定。電樞可滑動(dòng)地位于所述筒管內(nèi)，且可在通過極板的線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用下向極板滑動(dòng)。所述電樞大體上為具有短軸側(cè)和長(zhǎng)軸側(cè)的矩形。電樞長(zhǎng)軸側(cè)的長(zhǎng)度A與電樞短軸側(cè)的長(zhǎng)度B的比率的適用范圍為3.1≤(A/B)≤4.5。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，所述靜止極板位于筒管第一端，其中極板的一部分延伸到筒管內(nèi)的通孔內(nèi)。電刷位于通孔內(nèi)，并相對(duì)筒管基本固定，該電刷設(shè)置在電樞和筒管內(nèi)壁之間，并在電樞和筒管內(nèi)壁之間存在滑動(dòng)配合。使用黃銅或其它非磁材料制造電刷減少了電樞與電刷的摩擦和磁吸引力，由此提高了與螺線管連接的閥的非勵(lì)磁返回速度。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括能承受更高的工作功率，隸屬工作閥的更短的工作周期，以及不易因運(yùn)動(dòng)部件之間的摩擦而磨損的螺線管組件。同時(shí)也能使用更小尺寸的導(dǎo)線，其可進(jìn)一步提高由螺線管產(chǎn)生的電磁吸引力和功率，通過使用本發(fā)明的螺線管的幾何形狀，也能縮短給定螺線管的工作周期。
本發(fā)明的進(jìn)一步應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒖蓮囊韵略敿?xì)描述中變得顯而易見。可以理解，詳細(xì)的描述和特定的示例雖然示意了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但這僅僅用于示意而不是用來限制本發(fā)明。


通過下面的詳細(xì)描述以及附圖可更全面地理解本發(fā)明，其中圖1是本發(fā)明的用于電磁閥的快速響應(yīng)螺線管的透視圖；圖2是沿圖1的剖面線2-2的橫截面正視圖；圖3是沿圖2的剖面線3-3的橫截面俯視圖；和圖4類似圖2的橫截面正視圖，示出了閥的勵(lì)磁/打開位置。
具體實(shí)施例方式
對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的以下描述實(shí)際上僅僅是示例，并不是用來限制本發(fā)明的應(yīng)用或用途。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，參考圖1，閥組件10包括一個(gè)可在閥體安裝面16上連接到閥體14上的螺線管12，閥體14的內(nèi)部組件一般通過閥體裝載面18來裝載。閥體的入口20、出口22和排放口24是在閥體14的流體系統(tǒng)伺服面26設(shè)置的流體孔示例。本發(fā)明沒有限定孔的特定取向和數(shù)量。
下面參考圖2，螺線管12的組件包括一個(gè)極板28，其通過閥體安裝面16在螺線管12和閥體14之間形成一個(gè)接觸面。通常設(shè)置在極板28的周圍的磁通框架30構(gòu)成線圈32的獨(dú)立導(dǎo)線的外圍界限。線圈32包括至少一個(gè)或多個(gè)在一個(gè)或多個(gè)繞組中的獨(dú)立導(dǎo)線31，提供的導(dǎo)線規(guī)格范圍大致從33.5到35.5(gauge)。極板28的第一部分33放置在線圈32的內(nèi)腔中。電樞34也位于線圈32的內(nèi)腔中。極板28和電樞34典型地都是導(dǎo)電和電磁材料，例如鐵。電樞34可滑動(dòng)地放置在電刷36中，這樣電刷內(nèi)壁38可滑動(dòng)地與電樞外壁40接觸。
螺線管12還包括一個(gè)外殼42，用于把螺線管12與外部環(huán)境密封隔離開。外殼42通過一個(gè)適配器44和一個(gè)或多個(gè)固定銷46連到磁通框架30上。外殼42中，放置了一個(gè)配電板48，其與引線銷(a lead pin)50直接接觸。引線銷50放置在絕緣電刷52中，使引線銷50電絕緣于外殼42。線圈32的繞組上的電流由引線銷50通過配電板48和線圈連接器54提供。
如圖2所示，電樞34處于螺線管12非勵(lì)磁狀態(tài)下。在這個(gè)狀態(tài)下，調(diào)整裝置56與電樞34接觸，形成處于非勵(lì)磁狀態(tài)的電樞34的止擋。調(diào)整裝置56可以螺旋擰動(dòng)，這樣可以通過改變外殼42內(nèi)的調(diào)整裝置56的旋入深度來調(diào)整電樞34的位置。當(dāng)有電流供應(yīng)到線圈32時(shí)，在線圈32、極板28和電樞34之間產(chǎn)生磁通量，電樞34在箭頭“X”方向離開非勵(lì)磁位置。由此電樞34拉向極板28。電樞34在箭頭“X”方向上的這種平移也移動(dòng)了與電樞34直接接觸的推銷58。在極板28中開有間隙孔59，使推銷58能在箭頭“X”的勵(lì)磁方向或箭頭“Y”的返回(非勵(lì)磁)方向上移動(dòng)。
推銷58直接接觸閥體14中的閥元件60的第一端，閥元件60可滑動(dòng)地設(shè)置在閥體14中，這樣閥元件60可以在箭頭“X”和“Y”的任一方向移動(dòng)。如圖2所示的電樞的非勵(lì)磁位置，閥元件60處于關(guān)閉狀態(tài)，其中入口20的流體壓力同出口22和排放口24隔離開。一端部保持件62可滑動(dòng)地承接閥元件60的第二端，并作為閥元件60滑動(dòng)的正向止擋。端部保持件62通常通過螺栓固定連接到閥體14上。一個(gè)偏壓元件64位于閥元件60和端部保持件62之間并與它們接觸。該偏壓元件64使閥元件60遠(yuǎn)離端部保持件62，同時(shí)在箭頭“Y”方向上提供一個(gè)正常的偏壓力，以在螺線管12非勵(lì)磁時(shí)，使閥元件60和推銷58以及電樞34在箭頭“Y”方向一同返回。偏壓元件64和閥元件60位于閥體14的閥芯65中。該閥元件60是閥元件多種設(shè)計(jì)的一個(gè)示例。本發(fā)明不限于閥元件60的某種設(shè)計(jì)。線圈32大體上是矩形或橢圓形，它是基于線圈32的獨(dú)立導(dǎo)線圍繞筒管66的纏繞而成的，其中筒管66本身大體上呈矩形或橢圓形。筒管66包括第一端67和第二端68。在筒管66中開有通孔69用來可滑動(dòng)地承接極板28的第一部分33，同時(shí)也承接電刷36。
現(xiàn)在參考圖3，其示出了螺線管12的橫截面形狀。線圈寬度“W”在螺線管12整體寬度上最大化。圖3同時(shí)示出了多個(gè)孔70，每個(gè)孔70用來放置將螺線管12連接安裝到閥體14上的緊固件(未示出)。線圈寬度“W”限定了線圈32的短軸長(zhǎng)度。筒管66的通孔69中的電刷36限定了線圈32的內(nèi)圓周和電樞34的橫截面面積“S”。直徑為“D”的圓72表示了一個(gè)與橫截面面積“S”相同橫截面面積的虛擬圓柱鐵芯。因此圓72僅僅表示一個(gè)虛擬元件，用于與理論圓形鐵芯的比較，公式表示為S＝(πD2/4)。圓72的直徑“D”和線圈寬度“W”的關(guān)系用公式表示為D＝(0.4～0.8)W。電樞34存在進(jìn)一步的關(guān)系，即電樞34的長(zhǎng)軸“A”與電樞34的短軸或長(zhǎng)度“B”之間的關(guān)系，電樞34中“A”對(duì)“B”的比率范圍或界限用公式表示為3.1≤A/B≤4.5。
電樞34的“A”對(duì)“B”的比率使用上限值時(shí)，線圈32的長(zhǎng)度“L”與線圈寬度“W”的比率最大化，這樣更高的電流和功能也能用于線圈32上。在工業(yè)上，電磁閥通常使用的驅(qū)動(dòng)功率大約為4～5瓦特。更快速的螺線管目前也是可行的，其使用的電功率大約為16瓦特，而本發(fā)明的螺線管12允許使用的功率可達(dá)到大約215瓦特。這些可通過線圈32和電樞34的幾何形狀，和部分通過在線圈32內(nèi)使用更小規(guī)格的導(dǎo)線來獲得，該導(dǎo)線規(guī)格尺寸大約在33.5～35.5(gauge)之間。增加螺線管12的功率可大大提高閥組件10的操作效果，因?yàn)楦叩墓β士稍诰€圈32中產(chǎn)生更大的磁通量，該磁通量可提高電樞32的運(yùn)行速度。公知的4瓦特電磁閥的周期大約為3毫秒，使用本發(fā)明的螺線管設(shè)計(jì)，其周期可減少到340微秒。
本發(fā)明的閥組件10的進(jìn)一步改進(jìn)通過使用非磁材料，優(yōu)選使用黃銅材料來制造電刷36而實(shí)現(xiàn)。用于制造電刷36的非磁材料，特別地如黃銅這樣的材料可在電樞34和電刷36之間產(chǎn)生更低的摩擦系數(shù)。還有，電刷36的非磁特性可以減少在電樞34返回到如圖2所示的非勵(lì)磁位置期間電樞34和電刷36之間可能的電磁吸引力。這樣進(jìn)一步減少閥組件10的操作時(shí)間。閥組件10的操作時(shí)間，亦即其工作周期定義為在電流開始流入到線圈32和電樞34開始移動(dòng)，直到電樞34返回到如圖2所示的非勵(lì)磁位置時(shí)所需的時(shí)間。本發(fā)明的閥組件10提供了一個(gè)全面減少的工作周期，其允許閥組件10用于一些如揀選的操作中，其中這些操作要求控制揀選裝置的閥具有非常高的材料傳輸率和非常低的工作周期。
參考圖4，其示出了處于螺線管12的勵(lì)磁狀態(tài)下的閥元件60。流體通道“E”位于入口20和出口22之間。偏壓元件64受壓縮，并產(chǎn)生偏移力使閥元件60返回到如圖2所示的當(dāng)螺線管12處于非勵(lì)磁時(shí)的位置上。圖4還示出了一個(gè)插件74，其有可滑動(dòng)地支撐閥元件60上端(如圖4所示)的內(nèi)壁76。通道78軸向上通過閥元件60，當(dāng)閥元件60在箭頭“X”或“Y”方向移動(dòng)時(shí)，該通道允許流體從閥元件60的任一端移到相對(duì)一端。偏壓元件64產(chǎn)生箭頭“Y”方向的推力重新將閥元件60引導(dǎo)到如圖2所示的位置上。流體/偏壓元件腔室80中的流體也可經(jīng)通道78流動(dòng)，從而使閥元件60能在箭頭“X”或“Y”方向移動(dòng)，其中流體/偏壓元件腔室部分地圍繞偏壓元件64。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括使用更高的工作功率而獲得電磁驅(qū)動(dòng)閥的更短的周期和/或增強(qiáng)的電磁驅(qū)動(dòng)力的能力，本發(fā)明還能提供更少磨損的閥組件，其中的磨損是運(yùn)動(dòng)部件之間的摩擦產(chǎn)生的。同時(shí)也能使用更小尺寸的導(dǎo)線，其可進(jìn)一步提高由螺線管產(chǎn)生的電磁吸引力和功率，通過使用本發(fā)明的螺線管的幾何形狀，也能縮短給定螺線管型號(hào)的工作周期。
本發(fā)明的上述描述僅僅是示例，因此，不偏離本發(fā)明原理的變化也在本發(fā)明的限定范圍內(nèi)。例如，也可以使用另外的孔或不同于圖2中所示結(jié)構(gòu)的孔，閥元件60的幾何形狀也因此可以改變以適合于不同的閥孔設(shè)計(jì)、位置和數(shù)量，本發(fā)明的閥體的典型尺寸大約長(zhǎng)為0.81英寸(2.06cm)、高為0.66英寸(1.66cm)、深為0.31英寸(0.79cm)。本發(fā)明的螺線管的典型尺寸大約深為0.31(0.79cm)，其大致與閥體的深度匹配，閥體尺寸的長(zhǎng)寬比大約為3/4。這些尺寸僅僅是示例，閥體和螺線管可以不同于這些尺寸。這些變化并不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種螺線管，包括筒管，其具有大體上為矩形的橫截面；纏繞在筒管上的線圈；電樞，該電樞可滑動(dòng)地位于筒管中，用來響應(yīng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，其中該電樞大體上為具有短軸側(cè)和長(zhǎng)軸側(cè)的矩形；且電樞長(zhǎng)軸側(cè)的長(zhǎng)度A與電樞短軸側(cè)的長(zhǎng)度B的比率的適用范圍為3.1≤A/B≤4.5。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺線管，還包括通孔，該通孔位于筒管中；和電刷，該電刷設(shè)置于筒管的通孔中，并定位于筒管和電樞之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺線管，還包括相對(duì)筒管固定的極板，其中的磁場(chǎng)由通過極板的線圈產(chǎn)生。其中電樞可響應(yīng)通過極板的線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)而向極板滑動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的螺線管，還包括筒管的第一端和第二端；其中極板接近筒管的第一端安置，且電樞通過筒管的第二端可滑動(dòng)地承接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的螺線管，其中極板還包括位于筒管通孔內(nèi)的極板部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺線管，其中電刷包括一種非磁金屬材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺線管，還包括線圈的短軸側(cè)寬度W；電樞的第一橫截面面積；并且其中直徑為D的虛擬圓柱鐵芯與寬度W之間的關(guān)系可表示為D＝(0.4～0.8)W，該虛擬圓柱鐵芯的第二橫截面面積等于電樞的第一橫截面面積。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺線管，其中線圈還包括導(dǎo)線規(guī)格尺寸在33.5～35.5(gauge)之間的導(dǎo)線。
9.一種螺線管，包括筒管，其具有一個(gè)大體上為矩形的橫截面；纏繞在筒管上的線圈；電樞，該電樞可滑動(dòng)地位于筒管中，且可在線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下滑動(dòng)，大體上為矩形的電樞有短軸側(cè)、長(zhǎng)軸側(cè)和第一橫截面面積；電樞長(zhǎng)軸側(cè)的長(zhǎng)度A與電樞短軸側(cè)的長(zhǎng)度B的比率的適用范圍為3.1≤A/B≤4.5；并且其中虛擬圓柱鐵芯的直徑D與寬度W之間的關(guān)系可表示為D＝(0.4～0.8)W，該虛擬圓柱鐵芯的第二橫截面面積等于電樞的第一橫截面面積。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的螺線管，還包括位于筒管中的通孔內(nèi)的電刷，該電刷相對(duì)筒管大體固定，并位于電樞和筒管之間，其中電刷可滑動(dòng)地承接電樞。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的螺線管，其中電刷包括一種非磁金屬材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的螺線管，其中電刷包括一種黃銅材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的螺線管，還包括可連接到筒管上的靜止極板；和與電樞直接接觸的推銷，其可滑動(dòng)地在靜止極板的通孔中移動(dòng)；其中電樞可響應(yīng)通過極板的線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)而向上述靜止極板滑動(dòng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的螺線管，其中所述靜止極板包括可位于筒管的通孔中的部分。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的螺線管，其中線圈還包括導(dǎo)線規(guī)格尺寸在33.5～35.5(gauge)之間的導(dǎo)線。
16.一種電磁閥，包括閥；和大體為矩形的螺線管，其中該螺線管與閥相連，并可操作地使閥在開啟和關(guān)閉位置之間切換；該螺線管包括筒管，其具有一個(gè)大體上為矩形的橫截面；纏繞在上述筒管上的線圈；一相對(duì)筒管固定的靜止極板；電樞，該電樞可滑動(dòng)地位于筒管中，且可在線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下滑動(dòng)，大體上為有短軸側(cè)和長(zhǎng)軸側(cè)的矩形；和電樞長(zhǎng)軸側(cè)的長(zhǎng)度A與電樞短軸側(cè)的長(zhǎng)度B的比率的適用范圍為3.1≤(A/B)≤4.5；。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的閥，還包括大體為矩形的閥體；和可滑動(dòng)地位于閥體中的閥元件。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的閥，其中該螺線管還包括一個(gè)與電樞直接接觸的推銷，該推銷借助電樞的運(yùn)動(dòng)使閥元件復(fù)位。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的閥，還包括可在筒管的通孔中定位的靜止極板的部分；和可滑動(dòng)地承接推銷的極板通孔。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的閥，還包括一個(gè)偏壓元件，該偏壓元件可操作地將閥元件從開啟位置偏壓向關(guān)閉位置。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的閥，其中閥體還包括一個(gè)入口、出口和排放口，其中在關(guān)閉位置，閥元件將該入口與出口和排放口隔離開。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的閥，其中線圈還包括導(dǎo)線規(guī)格尺寸在33.5～35.5(gauge)之間的導(dǎo)線。
23.一種方法，其中該方法用于提高電磁閥中的螺線管的工作速度，該螺線管包括一個(gè)大體上為矩形橫截面的筒管；纏繞在筒管上的線圈；以及可滑動(dòng)地位于筒管中的電樞，大體上為矩形截面的電樞具有短軸側(cè)和長(zhǎng)軸側(cè)；該方法包括制造上述電樞，該電樞長(zhǎng)軸側(cè)的長(zhǎng)度A與電樞短軸側(cè)的長(zhǎng)度B的比率的適用范圍為3.1≤(A/B)≤4.5；且激勵(lì)線圈，從而通過由線圈產(chǎn)生并通過電樞的電磁場(chǎng)可操作地移動(dòng)電樞。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，還包括用推銷將電樞連接到閥元件上；以及在勵(lì)磁期間，使閥元件從關(guān)閉位置復(fù)位到開啟位置。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括將線圈去勵(lì)磁；以及在去勵(lì)磁線圈作用下，偏壓閥元件，使其回到關(guān)閉位置。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，還包括在電樞和筒管之間放置一個(gè)非磁材料的電刷，用來可操作地減少在電樞和筒管之間的摩擦和磁吸引力，并提高電樞的去磁復(fù)位速度。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，還包括用導(dǎo)線纏繞線圈，其中導(dǎo)線規(guī)格尺寸在33.5～35.5(gauge)之間。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，還包括在勵(lì)磁期間將高達(dá)大約215瓦特的電功率用到線圈上。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，還包括使用電功率和導(dǎo)線規(guī)格尺寸中的至少一種可操作地獲得大約為340微秒的螺線管和閥的周期。
30.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，還包括相對(duì)筒管固定極板；且將極板的部分定位于筒管的通孔中。
全文摘要
一種用于電磁閥的螺線管，包括大體上為矩形或橢圓形截面的筒管，相對(duì)筒管靜止的極板，和可響應(yīng)由通過極板的線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)而在筒管內(nèi)滑動(dòng)的電樞。纏繞著筒管的線圈具有矩形橫截面，其短軸側(cè)的寬度為W，寬度W和橫截面面積與電樞橫截面面積相同的虛擬圓周鐵芯的直徑D之間的關(guān)系可表示為D＝(0.4～0.8)W，電樞長(zhǎng)軸側(cè)的長(zhǎng)度A與電樞短軸側(cè)的長(zhǎng)度B的比率的適用范圍為3.1≤(A/B)≤4.5。
文檔編號(hào)F16K31/06GK1749622SQ20051010385
公開日2006年3月22日 申請(qǐng)日期2005年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月6日
發(fā)明者R·H·內(nèi)夫, E·P·揚(yáng)森 申請(qǐng)人:馬克閥門公司