本發明屬于機械領域，涉及一種適用于衛星姿控發動機的電磁閥結構。

背景技術：

螺線管電磁閥由于其結構簡單、功能可靠及性能穩定等優點，已經廣泛應用于航空航天、汽車及石化領域。螺線管電磁閥的響應速度是其關鍵技術指標，例如用于衛星姿控推力器的螺線管電磁閥，其響應速度直接決定了姿態調整的機動性和靈活性，關系到衛星能否快速、精確入軌。因此，電磁閥的響應特性已經成為航天電磁閥設計中追求的關鍵性能，也是高性能電磁閥發展的主要方向。

對于螺線管電磁閥來說，提高電磁閥的開啟響應，需要增大線圈安匝數，而增大安匝數又會使線圈斷電瞬間銜鐵上剩磁吸力過大，關閉時間延長。因此，開啟時間與關閉時間是此消彼長的關系。

目前，提高電磁閥響應速度的方法主要有兩種：一種是采用獨特的驅動線路，實現高電壓啟動、低電壓維持，提高電磁閥的響應速度。例如2015年4月，常遠等在《內燃機工程》第36卷第2期上發表的《高壓共軌噴油器電磁閥新型驅動控制技術研究》中給出了一種基于電流反饋控制的高低壓分時驅動電路，采用高驅動電壓和低電感線圈提升電磁閥的開啟速度，采用低維持電流和大泄流電阻縮短電磁閥的關閉時間。再例如2012年12月，宋會玲等在《火箭推進》第38卷第6期上發表的《集成控制雙繞組高速電磁閥的設計與仿真分析》中介紹了一種集成控制雙繞組電磁閥，通過增加一個加速啟動線圈，輔以內置芯片式集成控制電路，通過對兩個線圈工作時序的控制，實現高電流啟動、低電流維持的工作模式。另一種方法是通過增加永磁偏置力的辦法，提高電磁閥的響應時間。例如中國發明專利《一種基于非耦合永磁偏置的單穩態軸流式電磁閥》(專利號：ZL201510527807.5)通過巧妙地銜鐵結構設計和永磁體布置，形成了一個獨立的永磁偏置回路，提高了電磁閥的開啟能力，降低了電磁閥的功耗。

以上兩種提高電磁閥響應速度的方法均具有明顯的不足之處。對于上述第一種方法而言，會使得系統復雜、成本增加；對于上述第二種方法，將會使得電磁閥的可裝配性及可調試性變差。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種結構簡單、可裝配性好的快速響應螺線管電磁閥結構。

本發明的技術解決方案是：一種快速響應螺線管電磁閥，包括入口接頭、外導磁體、回復彈簧、閥體、線圈、銜鐵組件、閥座，其中入口接頭上設有介質入口，閥座上設有介質出口；線圈纏繞在閥體外側，閥體的一側裝配入口接頭，閥體和入口接頭之間設置有回復彈簧，閥體的另一側裝配閥座，銜鐵組件從閥體內部穿過，銜鐵組件的一端與所述回復彈簧配合，銜鐵組件的另一端與所述介質出口構成密封副；外導磁體套接在閥體和線圈的外側。

所述的銜鐵組件包括頂桿、銜鐵、密封彈簧和密封墊；頂桿為圓柱形長桿，銜鐵為中心開有通孔的圓柱體，在銜鐵圓柱體外表面開有對稱的溝槽，銜鐵的一個端面上開有十字槽，十字槽與所述溝槽相互連通；密封彈簧為圓形三臂式片彈簧，中心開有圓孔；頂桿穿過密封彈簧的中心孔，并從銜鐵未開十字槽的一端插入，將密封彈簧壓緊在頂桿與銜鐵之間，并通過銷釘固定。

所述的銜鐵外圓與閥體內孔之間存在間隙。

所述的銜鐵組件與回復彈簧之間設置有空程。

所述的回復彈簧為圓形三臂片彈簧，中心開有圓孔，圓面上對稱開有三條長縫。

所述的電磁閥還包括密封彈簧墊圈，密封彈簧墊圈為環形薄片，安裝于銜鐵組件與閥體、閥座的配合面上。

所述的電磁閥還包括回復彈簧墊圈，回復彈簧墊圈為環形薄片，安裝于閥體與回復彈簧之間。

所述的閥體包括左閥體、隔磁環和右閥體，左閥體和右閥體均為兩種不同直徑的圓柱體，兩端面均開有不同直徑的中心通孔；隔磁環為一個空心圓環，左閥體小直徑端面與隔磁環一端面固定連接，隔磁環另一端面與右閥體小直徑端面固定連接。

左閥體和右閥體為軟磁合金材料，隔磁環為不銹鋼材料。

本發明與現有技術相比的優點在于：

(1)本發明的快速響應螺線管電磁閥設置了一個高剛度回復彈簧，并使其與頂桿之間存在一定間隙，這樣高剛度回復彈簧可以吸收銜鐵組件開啟過程中的能量，而不對開啟時間產生負面影響；當電磁閥斷電后，高剛度回復彈簧積蓄的能量可以為銜鐵組件的關閉提供一個附加的回復力，來縮短關閉時間，最終實現開關響應時間的同步提高；

(2)本發明的快速響應螺線管電磁閥的銜鐵與閥體之間存在間隙，實現了銜鐵組件的無摩擦，不但進一步提高了響應速度，而且解決了因銜鐵摩擦產生的多余物問題及卡死問題；

(3)本發明的快速響應螺線管電磁閥的銜鐵組件采用三臂式片彈簧實現了銜鐵組件的兩端懸浮，其徑向定位性及穩定性好，更好地保證了銜鐵組件運動過程中的無摩擦；

(4)本發明提供的快速響應螺線管電磁閥采用密封彈簧墊圈和回復彈簧墊圈來調節銜鐵組件的行程及空程、密封彈簧變形量，使得電磁閥可裝配性、可調試性好且結構簡單；

(5)本發明提供的快速響應螺線管電磁閥的密封彈簧與回復彈簧均為圓形三臂片彈簧，其徑向定位性好、應力集中小，保證了銜鐵組件無摩擦并提高了電磁閥壽命。

附圖說明

圖1為本發明電磁閥結構示意圖；

圖2為本發明電磁閥閥體結構示意圖；

圖3為本發明電磁閥銜鐵組件結構示意圖；

圖4為本發明電磁閥密封彈簧結構示意圖；

圖5為本發明電磁閥回復彈簧結構示意圖；

圖6為本發明電磁閥工作過程示意圖；

圖7為本發明電磁閥電流曲線示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，為本發明快速響應螺線管閥的結構示意圖，主要包括入口接頭1、外導磁體2、回復彈簧3、回復彈簧墊圈4、閥體5、線圈6、銜鐵組件7、密封彈簧墊圈8、閥座9。其中，入口接頭1上設有介質入口，閥座9上設有介質出口。

如圖2所示，閥體5由左閥體51、隔磁環52和右閥體53組成，其中左閥體51和右閥體53為軟磁合金材料，隔磁環52為不銹鋼材料。左閥體51和右閥體53均為兩種不同直徑的圓柱體組成，其兩端面均開有不同直徑的中心通孔。隔磁環52為一個空心圓環，其內孔尺寸與右閥體53較細端中心通孔相同。左閥體51小直徑端面與隔磁環52一端面接觸，通過電子束焊方式連接；隔磁環52另一端面與右閥體53小直徑端面接觸，也通過電子束焊方式連接。這樣就在左閥體51和右閥體53之間形成了一個矩形截面積的繞線窗口，線圈6就纏繞在這個繞線窗口中。

如圖3所示，銜鐵組件7包括頂桿71、銷釘72、銜鐵73、密封彈簧74、和密封墊75。頂桿71為包含三種直徑的圓柱型長桿，其大圓柱端面開有圓柱盲孔，盲孔通過硫化或熱壓方式將密封墊75與頂桿71固定連接起來。銜鐵73為中心開有通孔的圓柱體，在其圓柱體外表面開有四個對稱的溝槽，在其一端面上開有十字槽，十字槽與溝槽相互連通，作為介質流通的通道。密封彈簧74為圓形三臂片彈簧(如圖4所示)，中心開有圓孔，圓面上對稱開有三條長縫。頂桿71的小圓柱端穿過密封彈簧74的中心孔，并從銜鐵73未開十字槽的一端插入，將密封彈簧74壓在頂桿71和銜鐵73之間，并通過銷釘72固連在一起，組成一個整體---銜鐵組件7。

在電磁閥裝配過程中，首先將密封彈簧墊圈8裝入到右閥體53內孔底面臺階，然后將銜鐵組件7從右閥體53的內孔一側裝入到閥體5中，使得密封彈簧74壓緊密封彈簧墊圈8；然后，再將另外的密封彈簧墊圈8從右閥體53的內孔一側裝入到閥體5中，使其與密封彈簧74接觸；最后，將閥座9也從右閥體53的內孔一側裝入到閥體5內，使閥座9左側端面壓緊后裝入的密封彈簧墊圈8。閥座9中心的火山狀閥口壓在密封墊75上形成了電磁閥的密封副。密封彈簧墊圈8一方面可以調節密封彈簧74的變形量S，以調節密封副的密封應力，實現電磁閥可靠密封，另一方面可以調節銜鐵組件7的行程L，以使電磁閥獲得足夠的流量要求。通過電子束焊接方式將閥座9和閥體5焊接在一起。將回復彈簧墊圈4裝入左閥體51的內孔底面臺階，然后將回復彈簧3從左閥體51的內孔一側裝入閥體5內并與回復彈簧墊圈4接觸，其中回復彈簧為圓形三臂片彈簧，中心開有圓孔，圓面上對稱開有三條長縫(如圖5所示)；頂桿71的最細圓柱段穿過回復彈簧3的中心孔。回復彈簧墊圈4可以調節頂桿71最細圓柱段底部臺階面與回復彈簧3之間的空程δ。將入口接頭1從左閥體51的內孔一側裝入到閥體5內，壓緊回復彈簧3，然后通過電子束焊接方式將入口接頭1與閥體5焊接在一起。最后，將外導磁體2從入口接頭1一端套在閥體5外側，組成了如圖1所示的電磁閥整機。

本發明所提供的電磁閥為一種單穩態電磁閥，即通電后在電磁力作用下從關閉位置運動到開啟位置，斷電后在彈簧力作用下從開啟位置回到關閉位置。本發明的工作過程如下：

關閉位置如圖6(a)所示：在非工作狀態下，線圈6內沒有電流，電磁閥處于關閉狀態，銜鐵組件7位于如圖6(a)所示的位置A。此時，在密封彈簧74的變形力作用下，密封墊75壓在了閥座9的火山狀閥口上，保證電磁閥關閉狀態下的閥口密封，切斷介質流通。

開啟過程如圖6(a)至(b)至(c)所示：當給線圈6加電后，銜鐵組件7上所受的電磁力超過密封彈簧74的變形力時，銜鐵組件7從圖6(a)位置開始運動，運動了δ后到達圖6(b)位置，此時頂桿71最細圓柱段底部臺階面與回復彈簧3剛好接觸；然后，銜鐵組件7繼續運動，使回復彈簧3產生變形，直到走完全部行程L運動至開啟位置，即圖6(c)位置。

關閉過程如圖6(c)至(b)至(a)所示：當線圈6斷電后，銜鐵組件7在回復彈簧3和密封彈簧74的共同作用下，從圖6(c)位置運動δ后到達圖6(b)位置，此時頂桿71最細圓柱段底部臺階面與回復彈簧3開始脫離；然后，銜鐵組件7繼續運動，在密封彈簧74的作用下，運動到關閉位置，即圖6(a)位置。

本發明的快速響應電磁閥關鍵在于設置了回復彈簧3，來提供一個附加的回復力，來縮短關閉時間，而它并不會對電磁閥開啟產生負面影響。電磁閥響應時間可以通過圖7所示的線圈6的電流曲線得以體現，T1為電磁閥開啟時間，T2為電磁閥的關閉時間。圖7中的1點代表銜鐵組件7于圖6(a)位置開啟運動的時刻；圖7中的2點代表銜鐵組件7開啟到圖6(b)位置的時刻，此時回復彈簧3開始產生變形，并開始積累能量；圖7中的3點代表銜鐵組件7到達最大開啟位置圖6(c)的時刻，此時回復彈簧3達到最大變形處；圖7中的4點代表線圈6開始斷電的時刻，銜鐵組件7開始進入關閉過程，回復彈簧3彈性勢能成為加速銜鐵組件7關閉的能量；圖7中的5點代表銜鐵組件7開始運動的時刻；圖7中的6點代表銜鐵組件7關閉運動到圖6(b)位置的時刻，此時回復彈簧3的彈性勢能完全釋放；圖7中的7點代表銜鐵組件7回到關閉位置圖6(a)的時刻。所以，回復彈簧3對開啟時間的影響為圖7中的2點到3點間，這只占整個開啟時間T1(從0時刻到點3)的很小部分，對開啟時間的影響很小；正是在這個過程，回復彈簧3積蓄了加速電磁閥關閉的能量。而回復彈簧3在關閉過程中的大部分時間(點4到點6)內均在為銜鐵組件7提供附加的回復力，加速銜鐵組件7的關閉。這就是本發明提出的電磁閥實現快速響應的原因。

此外，銜鐵組件7的銜鐵73與閥體5之間存在間隙，并通過密封彈簧74和回復彈簧3實現兩端懸浮，這樣實現了銜鐵組件7與閥體5之間不存在摩擦，這不但進一步提高了響應時間，而且提高了電磁閥的壽命。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。