ЭЛЕКТРОМАГНИТ С ВНЕШНИМ ПРИТЯГИВАЮЩИМСЯ ЯКОРЕМ КЛАПАННОГО ТИПА Российский патент 1995 года по МПК H01F7/13 H01F7/14 

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в коммутационной аппаратуре, в частности, с электромагнитным приводом постоянного тока.

Известен электромагнит с внешним притягивающимся якорем клапанного типа, в котором сердечник имеет сквозной канал для прохождения охлаждающего агента, со сквозными отверстиями в ярме и якоре.

Такой электромагнит имеет сердечник большого диаметра, что приводит к увеличению потребляемой мощности катушки и как следствие этого к дополнительному расходу серебра контактов, коммутирующих цепь данной катушки. Кроме того, этот электромагнит имеет недостаточную механическую износостойкость.

Наиболее близким к изобретению является электромагнит с внешним притягивающимся якорем клапанного типа, в котором сердечник выполнен в виде сплошного тела вращения с переменным сечением, например параболоида или усеченного конуса, рассекаемого двумя параллельными плоскостями, каждая из которых перпендикулярна оси его симметрии, причем меньшее основание обращено к якорю, а большее к ярму.

Такой электромагнит обладает значительной массой, поэтому имеет большую энергоемкость. Это приводит к низкой механической износостойкости.

Технический результат увеличение механической износостойкости.

Технический результат достигается тем, что в электромагните с внешним притягивающимся якорем клапанного типа, содержащем сердечник переменного наружного диаметра, катушку, якорь и ярмо, сердечник выполнен полым с переменным по высоте внутренним диаметром, причем образуемая наружной и внутренней поверхностями сердечника переменная толщина стенки удовлетворяет следующему соотношению:
h_m,l,q= 0,5 d₁·d₂ (1) где h_m,l,q толщина стенки;
d₁ наружный диаметр верхней части сердечника;
d₂ наружный диаметр основания сердечника;
Φ магнитный поток в сердечнике, а наружная и внутренняя поверхности катушки повторяют наружную поверхность сердечника.

В частности, внутренняя поверхность сердечника может быть выполнена в виде эллиптического параболоида или в виде усеченного конуса.

Сущность изобретения состоит в том, что за счет выполнения сердечника полым с переменным внутренним и наружным диаметром получена стенка сердечника переменной толщины по высоте, что позволяет стабилизировать магнитный поток по высоте сердечника и как результат повысить механическую износостойкость.

На фиг. 1 и 2 представлен предложенный электромагнит с сердечником, выполненным соответственно в виде эллиптического параболоида и усеченного конуса; на фиг. 3 график тяговых характеристик предлагаемого и аналогового электромагнитов.

Электромагнит с внешним притягивающимся якорем клапанного типа содержит электрическую катушку 1, полый сердечник 2, якорь 3, ярмо 4, траверсу 5, контактный блок 6. Якорь 3 и траверса 5 соединены с помощью шарнира 7. Якорь одним концом поджат к упору 8 возвратной пружиной 9. Скоба 10 служит направляющей траверсы 5 контактного блока 6. Сердечник 2 своим большим основанием установлен на ярме 4, а меньшим обращен к якорю 3. Внутренняя поверхность А и наружная поверхность В сердечника 2 выполнены в виде эллиптических параболоидов (см. фиг. 1) или в виде усеченных конусов (см. фиг. 2). Поверхности А и В образуют стенку h переменного по высоте l сердечника 2 сечения (m, l, q фиг. 1 и 2), причем значения m, e, q соответствуют формуле
h_m,l,q= 0,5 d₁·d₂ где h_m,l,q толщина стенки в сечениях m, l, q;
d₁ наружный диаметр верхней части сердечника;
d₂ наружный диаметр основания сердечника;
Φ магнитный поток в сердечнике. Катушка 1 имеет наружную поверхность С, соответствующую по форме наружной поверхности В сердечника 2 (см. фиг. 1 и 2).

На графике (см. фиг. 3) приняты следующие обозначения: 12 результирующая противодействующая характеристика электромагнита; 13 электромагнитная характеристика предлагаемого электромагнита при 0,65 A ˙ W_H (AW_H номинальная магнитодвижущая сила катушки); 14 электромагнитная характеристика предлагаемого электромагнита при AU_H; 15 электромагнитная характеристика аналогового электромагнита при 0,65 AW_H; 16 электромагнитная характеристика аналогового электромагнита при AW_H.

Электромагнит с внешним притягивающимся якорем работает следующим образом.

При подаче на катушку 1 напряжения, в ней появляется ток, который в сердечнике создает магнитный поток. Магнитный поток при прохождении через рабочий зазор создает тяговую электромагнитную силу, достаточную для преодоления усилия возвратной 9 и контактной 11 пружин. Якорь 3, сжимая возвратную пружину 9, одновременно воздействует через траверсу 5 и на контактный блок 6, замыкая или размыкая неподвижные контакты контактного блока 6. В начальный момент трогания якоря 3 магнитный поток в верхней части сердечника 2 имеет меньшую величину, чем в средней части сердечника, но и в то же время достаточную для того, чтобы тяговая характеристика 13 проходила выше противодействующей характеристики 12 (см. фиг. 3). Затем происходит перераспределение рабочего магнитного потока и магнитного потока рассеяния. В процессе притягивания якоря и сердечнику магнитный поток верхней части сердечника увеличивается быстрее, чем магнитный поток в средней части сердечника за счет большего уменьшения магнитного потока рассеяния по сравнению с аналоговым электромагнитом. Это приводит к тому, что магнитная индукция в верхней части сердечника становится больше магнитной индукции в средней части сердечника (толщина стенки m < e), рабочая точка которой заходит на колено кривой намагничивания и, следовательно, тяговая характеристика 13 приближается к расчетной противодействующей характеристике 12, проходя намного ниже тяговой характеристики 15 аналогового электромагнита. Магнитный поток в основании сердечника увеличивается на меньшую величину, чем магнитный поток в средней части сердечника, и рабочая точка находится на прямолинейном участке кривой намагничивания, не доходя до колена кривой намагничивания, что приводит к тому, что магнитная индукция в основании сердечника становится меньше магнитной индукции в средней части сердечника (толщина стенки q > l). Таким образом, если в начале хода якоря тяговая характеристика предлагаемого электромагнита 13 проходит выше тяговой характеристики аналогового электромагнита 15, то в конце хода якоря наоборот, тяговая характеристика предлагаемого электромагнита 13 проходит намного ниже тяговой характеристики аналогового электромагнита 15.

В предлагаемом электромагните при уменьшении имеющихся резервов по тяговой характеристике и при расположении рабочей точки магнитной индукции на кривой намагничивания B f(H) в пределах прямолинейного участка форму сердечника получают наиболее оптимальную.

Магнитная проводимость рабочего воздушного зазора (между якорем и кольцевым полюсом сердечника) равна
G · ln (R_o- ) (2) где θ угол поворота якоря;
μ_о абсолютная магнитная проницаемость воздуха;
R_o расстояние от ярма до оси симметрии сердечника;
R₁ расстояние от ярма до ближнего края верхней части сердечника;
R₂ расстояние от ярма до ближнего края нижней части сердечника;
R₃ расстояние от ярма до дальнего края верхней части сердечника;
R₄ расстояние от ярма до дальнего края нижней части сердечника.

Удельная магнитная проводимость для потоков рассеяния электромагнита составляет q 4,125 х 10^-3 Г/см, в то время как удельная магнитная проводимость для потоков рассеяния аналогового электромагнита q 6,25 х 10^-8 Г/см, что более, чем в 1,5 раза выше, чем у предлагаемого электромагнита.

Сечение сердечника на расстоянии х от основания определяется как отношение магнитного потока в этом сечении к магнитной индукции
S + ·λ·(l²- x²) (3) где Φ_δ магнитный поток в рабочем зазоре;
В магнитная индукция;
I ток в катушке;
W число витков катушки;
l высота сердечника;
λ магнитная проводимость стали.

Сечение сердечника в его основании получим, когда х 0:
S_o= + (4)
Сила тяги электромагнита определяется следующим выражением:
P · I²·W² dΛδ/dδ (5) где dΛδ 0 магнитная проводимость рабочего воздушного зазора;
δ рабочий воздушный зазор. Если известна зависимость Λ_δ f ( δ ), то d Λ δ / d δ определяется аналитически.

Предлагаемый электромагнит имеет механическую износостойкость в 2,1 раза выше механической износостойкости аналогового электромагнита.

Использование: электротехника. Сущность изобретения заключается в том, что сердечник электромагнита с внешним притягивающимся якорем клапанного типа выполнен полым с переменным по высоте внутренним диаметром, причем образуемая наружной и внутренней поверхностями сердечника переменная толщина стенки удовлетворяет следующему соотношению: где h, m, e, g толщина стенки; d₁ наружный диаметр верхней части сердечника; d₂ наружный диаметр основания сердечника; Φ магнитный поток в сердечнике, а наружная и внутренняя поверхности катушки повторяют наружную поверхность сердечника. Внутренняя поверхность сердечника может быть выполнена в виде эллиптического параболоида или в виде усеченного конуса. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ЭЛЕКТРОМАГНИТ С ВНЕШНИМ ПРИТЯГИВАЮЩИМСЯ ЯКОРЕМ КЛАПАННОГО ТИПА, содержащий сердечник переменного наружного диаметра, катушку, якорь и ярмо, отличающийся тем, что сердечник выполнен полым с переменным по высоте внутренним диаметром, причем переменная толщина стенки, образуемая наружной и внутренней поверхностями сердечника, удовлетворяет следующему соотношению:

где h_m,e,q толщина стенки, в сечениях m, e, q,
d₁ наружный диаметр верхней части сердечника;
d₂ наружный диаметр основания сердечника;
Φ магнитный поток в сердечнике,
а наружная и внутренняя поверхности катушки повторяют наружную поверхность сердечника. 2. Электромагнит по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность сердечника выполнена в виде параболоида. 3. Электромагнит по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность сердечника выполнена в виде усеченного конуса.