電液伺服閥專利技術綜述

蔣中立

專利審查協作江蘇中心，江蘇蘇州 215000

0 引言

上世紀四十年代，西方國家進入了工業迅猛發展的時期，液壓傳動系統和電氣傳動系統開始得到廣泛的關注與應用。人們通過實踐發現：液壓傳動的執行機構，其運動慣量遠小于電氣傳動的電機，因此對于大功率、大慣量的傳動系統，采用液壓傳動相較于傳統的電氣傳動具有突出的優勢。然而電氣傳動本身也具有其特殊的優勢，例如信號傳遞迅速、易于實現反饋以及遠程控制方便等。若是能將上述兩類傳動系統的優點結合起來，構造一個機、電、液一體化的伺服控制系統，對于工業自動化水平的提升將會帶來質的影響。正是在這樣的工業化需求下，電液伺服閥，一種能夠直接將電信號轉換成液壓信號并能實現功率放大的特殊元件應運而生。

1 電液伺服閥技術概述

1.1 電液伺服閥的基本概念

電液伺服閥是電液伺服控制系統中的核心元件，它在系統中起著電液轉換和功率放大的作用。具體地說，系統工作時，電液伺服閥接收來自系統的電信號，并把上述電信號轉換成具有一定比例的、能夠控制電液伺服閥的負載流量或壓力的信號，并通過功率放大機構使系統輸出較大的功率，以此來驅動某些執行機構。

1.2 電液伺服閥的組成及分類

電液伺服閥一般由以下幾個部分組成：電－機轉換部分、機－液轉換和功率放大部分、反饋部分及電氣控制部分。除了電反饋伺服閥以外，電液伺服閥大多僅由前三部分組成。[1]

電液伺服閥一般按使用功能可分為電液流量伺服閥、電液壓力伺服閥以及電液壓力流量伺服閥；按結構又可分為單級伺服閥、兩級伺服閥和三級伺服閥；按前置級的工作原理，電液伺服閥通常分為動圈式和永磁式兩種，其中，永磁式電液伺服閥還可進一步分為噴嘴擋板式電液伺服閥和射流管式電液伺服閥兩大類；并且，國外在上世紀九十年代初開發了直接驅動式（簡稱直驅式）電液伺服閥，作為噴嘴擋板式電液伺服閥的補充和發展。

2 專利申請趨勢分析

2.1 建立專利申請文獻數據庫

1）數據源

中國專利文獻摘要數據庫（CNABS）、德溫特世界專利數據庫（DWPI）以及世界專利文摘數據庫（SIPOABS）；檢索對象限定為公開/公告日于1950-2014 年之間的發明和實用新型專利申請（文中所有數據統計截止至2014 年6 月13 日）。

2）關鍵詞

電液，伺服閥；electro w hydraulic，servo+，valve+

3）IPC[IPC8]分類號

F15B13/043，F15B13/02

2.2 中國專利性分析

2.2.1 中國申請量年度分布趨勢

圖1 中國申請量年度分布趨勢

如圖1 所示，國內電液伺服閥相關的專利申請量總體呈逐年上升趨勢，且可劃分為以下三個階段：1）技術起步期（1986-2002），專利申請量較少且無明顯增長趨勢，說明此時國內電液伺服閥技術剛剛興起，尚處于起步階段，市場需求不大；2）初步發展期（2002-2005），專利申請量較上一階段出現第一次明顯增長，標志著電液伺服閥技術進入發展階段；3）迅猛發展期（2005-2012），專利申請量在總體上呈現大幅上升趨勢，先后出現了3 個峰點（2008、2009、2012），說明國內電液伺服閥技術得到了快速且有利的發展，這與市場需求是密不可分的。從數據獲取的準確性來說，2012 年后，由于專利從申請到公開/公告需要一定的審查周期，許多專利仍處于未公布狀態，因此上述數據并不能準確代表2013-2014 年實際的專利申請量。

2.2.2 國內主要申請人

圖2 國內主要申請人

如圖2 所示，在電液伺服閥領域，目前國內主要申請人以大公司和高校/研究院所為主，個人申請相對較少。實際上，由于相較于以歐美為代表的西方國家，電液伺服閥技術在國內起步屬于較晚，因而研發主力主要集中于大公司和高校/研究院所。其中，湖北航奧伺服科技有限公司、上海諾瑪液壓系統有限公司、中國船舶重工集團公司第七零四研究所、吉林大學和南京航空航天大學分列申請量前五位。

2.3 申請分類比重統計

從申請的分類比重來看，動圈式電液伺服閥技術的專利申請量僅占總數的9%，相對最少，這可能是由于其相較于永磁式電液伺服 閥技術，在性能方面存在某些不足，因而導致發展停滯。作為永磁式電液伺服閥技術中的重要分支，噴嘴擋板式電液伺服閥技術的專利申請量較大（占總數的66%），占據了歷年專利申請的主導地位，其整體走勢直接影響到總申請量走勢，因此，噴嘴擋板式電液伺服閥技術以及基于其發展的直動式電液伺服閥技術是電液伺服閥領域的主導技術。作為永磁式電液伺服閥技術中的另一分支，射流管式電液伺服閥技術的專利申請量（占總數的25%）介于動圈式電液伺服閥技術和噴嘴擋板式電液伺服閥技術之間。

3 電液伺服閥專利技術發展路線

二戰前夕，隨著工業發展的需要，液壓控制技術得到了第一次快速發展，許多早期的控制閥產品及專利均是這一時代的產物，例如Askania 調節器公司發明并申請了射流管閥產品的專利，Foxboro 則發明并申請了噴嘴擋板閥產品的專利。二戰末期，隨著控制理論的成熟以及軍事應用的刺激，伺服閥的研制和發展取得了重大的成就。1946 年，Raytheon 和Bell 航空公司發明了帶反饋的兩級閥；1950 年，W.C.Moog 發明了單噴嘴兩級電液伺服閥；1953-1955 年，T.H.Carson 發明了機械反饋式兩級電液伺服閥；W.C.Moog 在單噴嘴兩級電液伺服閥的基礎上又研發了雙噴嘴兩級電液伺服閥；1957 年，Atchley 利用Askania 公司的射流管原理研制出了兩級射流管電液伺服閥，并于1959 年成功研制出三級電反饋伺服閥；1963 年，Moog 公司推出了首款專為工業場合使用的73 系列伺服閥產品；1974 年，Moog 公司推出了低成本、大流量的三級電反饋伺服閥。當時的電液伺服閥主要用于軍事領域，隨著太空時代的到來，電液伺服閥又被廣泛用于航天領域，并研制出高可靠性的多余度伺服閥等尖端產品。

以下選取電液伺服閥技術的重要分支——噴嘴擋板式（包含其基礎上發展的直動式）電液伺服閥，按時間順序詳細闡述其技術發展：

1951 年，Foxboro 公司發明并申請了最早的噴嘴擋板閥專利（專利文獻公開號US2612185A，下同）；1954 年，Moog公司對傳統的噴嘴擋板閥進行改進，提出了雙噴嘴兩級電液伺服閥的結構（US2931343A）；1956 年，Moog 公司在雙噴嘴兩級電液伺服閥中首次引入滑閥機構，以增強高頻響應特性（GB845109A）；1963 年，電液伺服閥開始被研制應用于工業場合（GB957725A）；1971 年，Moog 公司對工業用兩級電液伺服閥進行改進，使第二級對第一級反饋形成閉環控制（US3752189A）；1975 年，Dopt 公司創造性的將電液伺服閥的前置級從閥體中獨立出來，以提高高壓條件下的使用可靠性（GB1389514A）；1980 年，Moog 公司在雙噴嘴兩級電液伺服閥的基礎上，研發了閉環控制的直動式兩級電液伺服閥，其具有優秀的抗污染能力以及響應特性（US4338965A）；1985年，Dowty Hydraulic 公司開發出永磁式力矩馬達作為電液伺服閥的電-機轉換部件，驅動力以及穩定性均得到大大增強（GB2124799A）；2002 年，Jansen 公司提出采用額外的線圈控制電液伺服閥閥芯的運動，以提高響應特性，降低閥芯泄漏的風險（US6786236A）；2007 年，北京工業大學引入超磁致伸縮材料，利用驅動器的自傳感功能，實現對驅動閥芯的精確定位（CN101196200A）。

4 結論

電液伺服閥是一種接收電信號后，輸出相應的調制流量和壓力的液壓控制閥，其同時具有功率放大機構，能夠將微弱的電信號轉換成大功率的液壓信號（流量和壓力），具有動態響應快、控制精度高、使用壽命長等優點。一直以來，伴隨著工業自動化水平的不斷提升和電液伺服系統應用領域的日益拓寬，人們對于電液伺服閥的性能也不斷提出更高的技術要求。因此，可以毫不夸張的說，電液伺服閥的發展歷史，本身也是一部力圖獲得更快速度、更高精度以及更優穩定性的技術創新史。

[1]田源道.電液伺服閥技術.航空工業出版社，2008.

[2]方群，黃增.電液伺服閥的發展歷史、研究現狀及發展趨勢.機床與液壓，2007.

[3]康雙琦，江林秋.電液伺服閥的發展歷史及研究現狀分析.資治文摘，2009.

[4]朱玉川，李躍松.超磁致伸縮執行器驅動的新型射流伺服閥.壓電與聲光，2010.