本發(fā)明屬于機械領(lǐng)域，涉及一種力矩馬達閥結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

空間液體火箭發(fā)動機按照所需要的推進劑種類可以分為單組元發(fā)動機和雙組元發(fā)動機。雙組元發(fā)動機由于其比沖高、響應(yīng)快等優(yōu)勢，已經(jīng)成為衛(wèi)星姿態(tài)控制及軌道控制的主流發(fā)動機。它的原理是利用氧化劑與燃燒劑混合燃燒產(chǎn)生高溫燃?xì)?，并通過噴管加速產(chǎn)生推力。雙組元發(fā)動機的開機及關(guān)機是通過閥門控制氧化劑與燃燒劑的通斷來實現(xiàn)的，因此，閥門開關(guān)響應(yīng)對雙組元發(fā)動機的性能至關(guān)重要。

雙組元發(fā)動機一般采用兩個螺線管電磁閥分別控制氧化劑及燃燒劑的通斷，這種方式不能滿足高性能雙組元發(fā)動機的要求，主要體現(xiàn)在：(1)兩個螺線管電磁閥的響應(yīng)無法達到完全同步，給雙組元發(fā)動機的氧、燃時序控制帶來了困難；(2)螺線管電磁閥的電-機械轉(zhuǎn)化效率低，進一步提高其響應(yīng)時間存在技術(shù)瓶頸，并且功耗高；(3)螺線管電磁閥采用直動式銜鐵，其抗力學(xué)環(huán)境能力差。

力矩馬達閥可以解決以上螺線管電磁閥的缺點。目前國際上采用力矩馬達閥的雙組元發(fā)動機，都是直接采用moog公司的力矩馬達閥，力矩馬達閥的技術(shù)也只掌握在moog公司手中。有很多文獻介紹過采用moog公司力矩馬達閥的雙組元發(fā)動機，如u.gotzig等人1999年6月在aiaa/sae/asme/asee35thjointpropulsionconferenceandexhibit上發(fā)表文章《newgeneration10nbipropellantmmh/ntothrusterwithdoubleseatvalve》中介紹了采用moog51-215型雙閥座力矩馬達閥的10n推力器和采用moog51-131型單閥座力矩馬達閥的10n推力器。與螺線管電磁閥的直動式密封擋板不同，力矩馬達閥的密封擋板為擺動式，為了解決高可靠擺動密封問題，moog力矩馬達閥采用彈簧加載式密封結(jié)構(gòu)，其除了利用彈簧管提供的力進行密封外，還必須通過加載微小的螺旋彈簧使閥座應(yīng)力均勻，這種結(jié)構(gòu)一方面導(dǎo)致其密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，密封副零件較多，給裝配帶來了困難，而且使得閥口處的流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流阻較大，產(chǎn)生多余物風(fēng)險較大，另一方面螺旋彈簧增加了力矩馬達閥的開啟阻力，降低了其響應(yīng)時間。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種采用平面密封形式實現(xiàn)高可靠擺動密封的力矩馬達閥結(jié)構(gòu)，直接利用彈簧管變形提供平面密封副的密封力，不但簡化了密封副及流道結(jié)構(gòu)，而且降低了力矩馬達閥的開啟阻力。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種用于雙組元發(fā)動機的力矩馬達閥，包括力矩馬達、銜鐵-擋板組件、閥體、入口接頭和噴嘴；所述的閥體具有通孔以及與所述通孔連通并垂直相交的盲孔，通孔的一側(cè)與入口接頭固定連接，入口接頭上設(shè)有介質(zhì)入口；通孔的另一側(cè)與噴嘴固定連接，噴嘴上設(shè)有介質(zhì)出口并與發(fā)動機連接；銜鐵-擋板組件的一端深入所述盲孔并與噴嘴配合，銜鐵-擋板組件的另一端與力矩馬達連接；在力矩馬達未通電情況下，通過力矩馬達自身的永磁力矩使銜鐵-擋板組件發(fā)生扭曲變形，實現(xiàn)銜鐵-擋板組件端部與噴嘴的密封，力矩馬達閥關(guān)閉；在力矩馬達通電情況下，通過力矩馬達產(chǎn)生的電磁力矩克服永磁力矩，帶動銜鐵-擋板組件轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)銜鐵-擋板組件端部與噴嘴的脫離，力矩馬達閥開啟。

所述的銜鐵-擋板組件包括壓環(huán)、銜鐵、彈簧管、擺桿和擋板；銜鐵為十字型結(jié)構(gòu)，十字形結(jié)構(gòu)上設(shè)有與所述壓環(huán)配合的通孔，彈簧管包含依次連接的頭段、頸段、中間段及基座段四段圓柱，頸段與壓環(huán)配合對銜鐵進行限位，中間段具有彈性，基座段與閥體固定連接；擋板上設(shè)有開有與噴嘴配合的圓形盲孔，圓形盲孔中安裝有密封墊，擺桿的一端伸入彈簧管內(nèi)部并與頭段連接，擺桿的另一端伸入閥體內(nèi)部并與擋板連接。

所述的銜鐵為軟磁合金材料，彈簧管和擺桿為彈性合金材料，擋板為不銹鋼材料，密封墊為塑料。

所述的力矩馬達包括上導(dǎo)磁體、磁鋼、線圈和下導(dǎo)磁體，其中上導(dǎo)磁體和下導(dǎo)磁體均為u型板結(jié)構(gòu)并相對布置，包括兩個側(cè)面和一個底面，底面中心開有圓形通孔，下導(dǎo)磁體底面中心圓孔比上導(dǎo)磁體中心圓孔大；磁鋼和線圈位于上導(dǎo)磁體和下導(dǎo)磁體之間，磁鋼的充磁方向為上下充磁，通過線圈是否通入電流來改變力矩方向。

所述的力矩馬達和銜鐵-擋板組件之間還設(shè)有氣隙調(diào)整墊片，氣隙調(diào)整墊片的厚度不均勻，使得下導(dǎo)磁體、磁鋼和上導(dǎo)磁體發(fā)生偏斜。

所述的上導(dǎo)磁體和下導(dǎo)磁體為軟磁合金材料，磁鋼為永磁材料。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明力矩馬達閥將工作氣隙處的磁力放大為驅(qū)動銜鐵-擋板組件運動的力矩，提高了響應(yīng)速度；

(2)本發(fā)明力矩馬達閥的銜鐵-擋板組件采用十字型銜鐵，與兩套彈簧管-擋板組件相連，可以控制兩路流體的同時開啟與關(guān)閉，實現(xiàn)雙組元發(fā)動機氧、燃兩路推進劑供給的完全同步；

(3)本發(fā)明力矩馬達閥采用平面密封形式實現(xiàn)了高可靠的擺動密封，減少了密封副零件數(shù)量，簡化了密封副和流道結(jié)構(gòu)，降低了流阻及多余物產(chǎn)生的風(fēng)險；

(4)本發(fā)明力矩馬達閥直接利用彈簧管變形提供平面密封副的密封力，而彈簧管的變形力又作為閥門開啟的動力，加速了力矩馬達閥的開啟，提高了響應(yīng)速度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明力矩馬達閥的三維爆炸圖；

圖2為本發(fā)明力矩馬達閥中力矩馬達的三維爆炸圖；

圖3為本發(fā)明力矩馬達閥中銜鐵-擋板組件的三維爆炸圖；

圖4為本發(fā)明力矩馬達閥的外形圖；

圖5為圖4中的a-a向視圖；

圖6為圖4中的b-b向視圖；

圖7為本發(fā)明力矩馬達閥關(guān)閉位置及其磁路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本發(fā)明力矩馬達閥開啟位置及其磁路結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，為本發(fā)明力矩馬達閥的三維爆炸圖，主要包括外罩1、力矩馬達2、氣隙調(diào)整墊片3(兩個)、銜鐵-擋板組件4、閥體5、入口接頭6(兩個)、噴嘴7(兩個)、力矩馬達螺釘8(四個)和外罩螺釘9(四個)。其中，外罩1為薄壁中空蓋形結(jié)構(gòu)，作用是罩住力矩馬達2，起到防塵及保護作用。力矩馬達2產(chǎn)生銜鐵-擋板組件4擺動的磁力矩。氣隙調(diào)整墊片3為長條形薄片，在其一側(cè)長邊上有開口的u形槽口，其作用是調(diào)整力矩馬達2的工作氣隙(參考圖7)。銜鐵-擋板組件4作用是將力矩馬達2的電磁力矩轉(zhuǎn)化為力矩馬達閥開啟和關(guān)閉的驅(qū)動力。閥體5為包括上部矩形板和下部長方體塊的t形截面結(jié)構(gòu)，在其上部矩形板的中間開有兩個具有四段不同直徑的盲孔，在下部長方體塊的側(cè)面開有兩個通孔，這兩個通孔分別與上述兩個盲孔垂直相交，閥體5上部矩形板上有共8個螺釘通孔(內(nèi)外兩組，每組成矩形分布)。入口接頭6上設(shè)有介質(zhì)入口。噴嘴7上設(shè)有介質(zhì)出口，其一側(cè)為火山口狀密封口，用于力矩馬達閥自身密封，另一側(cè)為半球型接口，是力矩馬達閥與發(fā)動機之間的密封接口。力矩馬達螺釘8用來將力矩馬達2跟閥體5固定在一起。外罩螺釘9用來將外罩1跟閥體5固定在一起。在力矩馬達2通電時，產(chǎn)生的電磁力矩驅(qū)動銜鐵-擋板組件4擺動，實現(xiàn)噴嘴7處流體介質(zhì)的通斷控制，由此完成力矩馬達閥的功能。

如圖2所示，力矩馬達2由上導(dǎo)磁體21、磁鋼22(兩個)、線圈23(兩個)和下導(dǎo)磁體24組成，其中上導(dǎo)磁體21和下導(dǎo)磁體24為軟磁合金材料(如1j22軟磁合金)，磁鋼22為永磁材料(如鋁鎳鈷永磁合金)。上導(dǎo)磁體21和下導(dǎo)磁體24均為u型薄板結(jié)構(gòu)，其兩個側(cè)面為梯形結(jié)構(gòu)，底面為矩形結(jié)構(gòu)，底面中心開有圓形通孔，底面四個角上開有四個螺釘通孔，下導(dǎo)磁體24底面中心圓孔比上導(dǎo)磁體21中心圓孔大。磁鋼22為長方體結(jié)構(gòu)，在其較窄的對邊側(cè)面上開有開放的u形孔，在其較寬的平面中間開有圓弧凹槽，磁鋼22的充磁方向為上下充磁。線圈23為長方體結(jié)構(gòu)，且中心有矩形通孔。

如圖3所示，銜鐵-擋板組件4包括壓環(huán)41(兩個)、銜鐵42、彈簧管43(兩個)、擺桿44(兩個)和擋板45(兩個)。壓環(huán)41為圓環(huán)型結(jié)構(gòu)。銜鐵42為十字型結(jié)構(gòu)，較短邊的兩側(cè)對稱的開有兩個圓形通孔，材料為軟磁合金材料。彈簧管43包含四段圓柱，中心為貫穿的圓形通孔，四段圓柱自上而下分別為：頭段、頸段、中間段及基座段，其中頭段跟銜鐵42兩側(cè)圓形通孔配合，頸段起到對銜鐵42的限位作用，中間段為薄壁筒結(jié)構(gòu)，是彈簧管43的彈性部分，基座段用來跟閥體5進行定位和連接。擺桿44為包含三種直徑的圓柱桿。擋板45包含不銹鋼骨架和塑料密封墊兩部分，不銹鋼骨架由一段圓柱和一段長方體組成，圓柱段端面開有圓形盲孔，塑料密封墊就安裝在圓形盲孔中，長方體的一個側(cè)面上開有圓形通孔。擺桿44最粗段圓柱用來跟彈簧管43頭段內(nèi)孔配合，擺桿44最細(xì)段圓柱用來跟擋板45長方體上的圓柱孔配合。彈簧管43和擺桿44均為彈性合金材料(如3j1彈性合金)。

本發(fā)明力矩馬達閥的裝配過程如下，如圖5和圖6所示：將兩個擺桿44的最細(xì)端圓柱分別通過過盈配合插入到兩個擋板45長方體段的圓形通孔內(nèi)；將兩個擺桿44的最粗段圓柱分別通過兩個彈簧管43基座段內(nèi)孔插入，一直插到彈簧管43的頭段，保證擺桿44的最粗段圓柱上端面與彈簧管43頭段上端面齊平；將兩個彈簧管43的基座段分別插入到閥體5上部矩形板的兩個盲孔內(nèi)，通過彈簧管43的基座段底面與閥體5上部矩形板盲孔第二個直徑底面進行定位，然后通過電子束焊接方式將兩個彈簧管43基座端與閥體5焊接在一起。將兩片氣隙調(diào)整墊片3分別放置在閥體5的上部矩形板面上，使兩片氣隙調(diào)整墊片3(左側(cè)厚，右側(cè)薄)的四個u形槽口分別與閥體5上部矩形板上的內(nèi)部四個螺釘孔重合。將下導(dǎo)磁體24的中心孔從兩個彈簧管43頭段套入，u形下導(dǎo)磁體24的開口側(cè)朝上，其兩個梯形側(cè)面分別在銜鐵42長邊懸臂下面，使下導(dǎo)磁體24底面的四個螺釘通孔分別與閥體5上部矩形板上的內(nèi)部四個螺釘孔重合。將銜鐵42短邊兩側(cè)的圓孔分別插入兩個彈簧管43頭段中，并通過彈簧管43頭段底面定位，將兩個壓環(huán)41分別通過過盈配合套入兩個彈簧管43的頭段，將銜鐵42跟兩個彈簧管43壓緊。將兩個線圈23分別套入銜鐵42長邊兩側(cè)的懸臂中。將兩個尚未充磁的磁鋼22分別豎立在下導(dǎo)磁體24的底面兩側(cè)，兩個磁鋼22帶圓弧凹槽的面相向放置，兩個磁鋼22較窄的對邊側(cè)面上u形孔分別與下導(dǎo)磁體24底面的四個螺釘通孔重合。將上導(dǎo)磁體21蓋在兩個磁鋼的上面，u形上導(dǎo)磁體21的開口側(cè)朝下，其兩個梯形側(cè)面分別在銜鐵42長邊懸臂上面，并使上導(dǎo)磁體21底面四個角上的螺釘通孔分別與兩個磁鋼22較窄對邊側(cè)面上的u形孔重合。將四個力矩馬達螺釘8穿過上導(dǎo)磁體21、磁鋼22、下導(dǎo)磁體24、氣隙調(diào)整墊片3和閥體5的內(nèi)部四個螺釘孔，將以上5種零件固定在一起。通過外罩1將上導(dǎo)磁體21、磁鋼22、下導(dǎo)磁體24和氣隙調(diào)整墊片3扣在里面，通過四個外罩螺釘9將外罩1固定在閥體5上部矩形板上的外部四個螺釘孔上。將兩個入口接頭6插入到閥體5下部長方體塊左側(cè)面的兩個孔中，利用電子束焊接方式將兩個入口接頭6焊接在閥體5上。將兩個噴嘴7分別插入到閥體5下部長方體塊右側(cè)面的兩個孔中，利用電子束焊接方式將兩個噴嘴7焊接在閥體5上。最后給兩個磁鋼22沿上下方向100％充磁，完成了如圖4所示力矩馬達閥的裝配。

本發(fā)明所提供的力矩馬達閥采用永磁偏置力矩來提供平面密封的密封力，具體實現(xiàn)方式如下：

在磁鋼22未充磁的情況下，此時銜鐵42保持水平狀態(tài)，擋板45的塑料密封墊的端面處于垂直狀態(tài)，將噴嘴7裝入閥體5中，使噴嘴7左側(cè)火山口狀密封口剛好與擋板45的塑料密封面接觸，此時噴嘴7軸線與擋板45塑料密封面垂直，利用工裝將噴嘴7位置固定。利用左右兩個氣隙調(diào)整墊片3(左側(cè)厚，右側(cè)薄)，使下導(dǎo)磁體24、磁鋼22和上導(dǎo)磁體21發(fā)生偏斜，目地是使氣隙g1和g4大于g2和g3(參考圖7)，這時給磁鋼22進行上下方向充磁，磁鋼22產(chǎn)生的永磁磁通фp在銜鐵42上產(chǎn)生一個逆時針方向的永磁偏置力矩tc，在永磁偏置力矩tc作用下，銜鐵42發(fā)生逆時針方向的轉(zhuǎn)動，一直運動到銜鐵42左側(cè)碰到下導(dǎo)磁體24、右側(cè)碰到上導(dǎo)磁體21(如圖7所示，此時g2＝g3＝0)。圖7所示的狀態(tài)即為本發(fā)明力矩馬達閥的關(guān)閉位置狀態(tài)，銜鐵42的轉(zhuǎn)動使彈簧管43和擺桿44發(fā)生扭曲變形，這種變形通過擋板45壓在噴嘴7上就產(chǎn)生了密封力，保證力矩馬達閥在關(guān)閉位置的可靠密封。這種通過永磁偏置力矩tc施加密封力的方式，可以保證力矩馬達閥在關(guān)閉位置時噴嘴7左側(cè)火山口與擋板45塑料密封面始終為垂直接觸狀態(tài)，這使得本發(fā)明力矩馬達閥可以采用結(jié)構(gòu)簡單的平面密封結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高可靠擺動密封。

本發(fā)明所提供的力矩馬達閥可以通過改變磁鋼22的寬度(跟充磁方向垂直的方向)來改變磁鋼22的磁勢，實現(xiàn)兩種工作模式的力矩馬達閥：一種是單穩(wěn)態(tài)力矩馬達閥，磁鋼22寬度較小；一種是雙穩(wěn)態(tài)力矩馬達閥，磁鋼22寬度較大。本發(fā)明所提供的單穩(wěn)態(tài)力矩馬達閥和雙穩(wěn)態(tài)力矩馬達閥，其開啟原理完全相同，只是關(guān)閉原理不同：單穩(wěn)態(tài)力矩馬達閥不需要線圈通電可以自動關(guān)閉，雙穩(wěn)態(tài)力矩馬達閥需要給線圈通電才能關(guān)閉。

本發(fā)明提供的力矩馬達閥的開啟過程如下：

關(guān)閉位置如圖7所示，線圈23內(nèi)沒有電流，馬達閥處于關(guān)閉狀態(tài)，永磁偏置力矩tc使彈簧管43和擺桿44發(fā)生扭曲變形，這種變形通過擋板45壓在噴嘴7上就產(chǎn)生了密封力，保證力矩馬達閥關(guān)閉狀態(tài)下的閥口密封，切斷介質(zhì)流通。當(dāng)需要力矩馬達閥開啟時，給線圈23通電(通電方向如圖7所示，銜鐵42上方截面為垂直紙面向里，下方截面為垂直紙面向外)，這樣線圈23可以在上導(dǎo)磁體21和銜鐵42中形成逆時針的電磁磁通фe，在下導(dǎo)磁體24和銜鐵42中形成順時針的電磁磁通фe。這樣，在氣隙g1和g4，電磁磁通фe和永磁磁通фp相互疊加，而在氣隙g2和g3，電磁磁通фe和永磁磁通фp相互消減，使得g1、g4處的磁合力大于g2、g3處的磁合力，最終在銜鐵42上產(chǎn)生一個順時針方向的開啟力矩to，帶動擋板45脫離噴嘴7，實現(xiàn)力矩馬達閥開啟，最終到達如圖8所示的開啟位置。

本發(fā)明提供的單穩(wěn)態(tài)力矩馬達閥的關(guān)閉過程如下：

在線圈23未斷電情況下，單穩(wěn)態(tài)力矩馬達閥始終處于如圖8所示的開啟位置。當(dāng)將線圈23斷電后，彈簧管43的扭曲變形使銜鐵42受到的逆時針方向力矩大于銜鐵42上受到的順時針永磁力矩，兩個力矩合力構(gòu)成了關(guān)閉力矩tc，使銜鐵42沿逆時針方向轉(zhuǎn)動到圖7所示的關(guān)閉位置。

本發(fā)明提供的雙穩(wěn)態(tài)力矩馬達閥的關(guān)閉過程如下：

在線圈23斷電后，雙穩(wěn)態(tài)力矩馬達閥仍然處于如圖8所示的開啟位置，因為線圈23斷電后銜鐵42受到的永磁力矩大于彈簧管43扭曲變形產(chǎn)生的力矩。當(dāng)要關(guān)閉雙穩(wěn)態(tài)力矩馬達閥時，需要給線圈23通跟開啟過程方向相反的電流(如圖8所示)，這樣線圈23可以在上導(dǎo)磁體21和銜鐵42中形成順時針的電磁磁通фe，在下導(dǎo)磁體24和銜鐵42中形成逆時針的電磁磁通фe。這樣，在氣隙g2和g3，電磁磁通фe和永磁磁通фp相互疊加，而在氣隙g1和g4，電磁磁通фe和永磁磁通фp相互消減，使得g2、g3處的磁合力大于g1、g4處的磁合力，最終在銜鐵42上產(chǎn)生一個逆時針方向的關(guān)閉力矩tc，實現(xiàn)力矩馬達閥關(guān)閉，最終到達如圖6所示的關(guān)閉位置。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。