ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ТЯГОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК H02K33/02 H01F7/16 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам, в частности, к электромагнитным двигателям, и может быть использовано в электромеханических устройствах с поступательным перемещением рабочего звена. Такие двигатели могут быть использованы, например, для привода дозировочных насосов.

Известны электромагнитные устройства со втяжным электромагнитом броневого типа /Любчик М.А. Оптимальное проектирование силовых электромагнитных механизмов. -М: Энергия, 1974, с. 106, рис. 1 18, в; с. 114, рис. 1 26; с. 122, рис. 1 34; с. 125, рис. 1 37/, в которых на значительном участке хода якоря формируется почти горизонтальная тяговая характеристика при поборе профиля и размеров ферромагнитного шунта в области рабочего зазора, а также при подборе величины рабочего зазора и параметров нерабочего зазора, его величины и высоты воротничка.

Недостатком известных устройств является наличие нерабочего зазора между воротничком и подвижным якорем, снижающего ситу тяжести электромагнита и его экономичность. Использование только одной конической поверхности на якоре устройства /см. там же, с. 122, рис. 1 34/ снижает возможности формирования тяговой характеристики.

Известен также электромагнит /Патент Франции N 2687505, кл. H 01 F 7/16, ИСМ N 7, 1994/, который содержит неподвижный магнитопровод, подвижный якорь, совершающий поступательное перемещение и катушку возбуждения. Магнитопровод содержит выступающий полюс в виде усеченного конуса, вокруг которого расположена обмотка возбуждения. Подвижный якорь имеет шунт, вводимый в кольцевое отверстие неподвижного магнитопровода и покрывающий полюс, при этом между шунтом и усеченным конусом образуется рабочий воздушный зазор, который создает тяговое усилие.

Недостаток этого электромагнитного устройства в том, что оно содержит только один рабочий зазор конического типа, создающий силу тяги, и в том, что зазор между внешней поверхностью подвижного якоря и стенками отверстия в неподвижной магнитной цепи выполняют роль нерабочего воздушного зазора, силой тяги которого можно пренебречь, т.к. объем воздушного пространства этого зазора незначителен по величине и практически не меняется при движении якоря.

Наиболее близким по техническим решениям, выбранным в качестве прототипа, является электромагнитный двигатель /Любчик М.А. Оптимальное проектирование силовых электромагнитных механизмов. -М. Энергия, 1974, с. 111, рис. 1 23/, содержащий цилиндрический магнитопровод, состоящий из корпуса, сердечника, соединяющего их фланца, обмотку, расположенную вокруг сердечника, и плоский внешний прямоходовый якорь с ферромагнитным шунтом в виде кольца, имеющего внешнюю и внутреннюю цилиндрические поверхности, причем кольцо жестко скреплено с якорем. Между фланцем и сердечником имеется нерабочий зазор.

Недостаток известного двигателя в том, что для формирования тяговой характеристики используется нерабочий зазор, что приводит к снижению экономичности двигателя.

Изобретение направлено на решение технической задачи создания электромагнитного двигателя с горизонтальной тяговой характеристикой, формируемой без использования нерабочих зазоров, что повысит экономичность двигателя.

Решение указанной технической задачи достигается тем, что в электромагнитном двигателе с горизонтальной тяговой характеристикой, содержащим цилиндрический магнитопровод, состоящий из корпуса, сердечника, соединяющего их фланца, обмотку, расположенную вокруг сердечника и плоский прямоходовой якорь с ферромагнитным шунтом, выполненным в виде кольца, согласно изобретению, боковые поверхности кольца выполнены усеченно-коническим, причем угол наклона наружной боковой поверхности кольца к корпусу магнитопровода превышает угол наклона внутренней боковой поверхности кольца к сердечнику.

Целесообразно, чтобы в электромагнитном двигателе, согласно изобретению, отношение узлов наклона боковых поверхностей кольца было выбрано в пределах 2,5 3,5.

Сущность изобретения состоит в том, что в электромагнитном двигателе с горизонтальной тяговой характеристикой, содержащем цилиндрический магнитопровод, состоящий из корпуса, сердечника, соединяющего их фланца, обмотку, расположенную вокруг сердечника и плоский внешний прямоходовой якорь с ферромагнитным шунтом, выполненным в виде кольца с цилиндрическими боковыми поверхностями, в сердечнике со стороны якоря по его геометрической оси выполнена цилиндрическая проточка.

Допустимо, чтобы в электромагнитном двигателе, согласно изобретению, глубина проточки была бы равна или меньше величины максимального хода якоря, а диаметр проточки по меньшей мере равен удвоенной глубине проточки.

Сущность изобретения состоит также в том, что в электромагнитном двигателе с горизонтальной тяговой характеристикой, содержащем цилиндрический магнитопровод, состоящий из корпуса, сердечника, соединяющего их фланца, обмотку, расположенную вокруг сердечника, и внешний прямоходовой якорь с ферромагнитным шунтом, выполненным в виде кольца с цилиндрическими боковыми поверхностями, в наибольшей по его толщине части якоря выполнен кольцевой паз с поперечным сечением в форме перевернутой трапеции.

Целесообразно также, чтобы а электромагнитном двигателе, согласно изобретению, отношение величин внешнего и внутреннего рабочих зазоров между кольцевой частью якоря и корпусом магнитопровода было бы равно отношению внешнего и внутреннего радиусов обмотки.

Выполнение боковых поверхностей кольца усеченно-коническими позволяет за счет изменения углов наклона боковых поверхностей кольца осуществить согласование тяговой характеристики и характеристики противодействующих движению якоря сил.

Выполнение боковых поверхностей кольца в виде цилиндра и наличие в сердечнике магнитопровода со стороны якоря по его геометрической оси цилиндрической проточки приводит к тому, что электромагнитный двигатель имеет горизонтальную тяговую характеристику. При этом если в электромагнитном двигателе с нерабочим зазором, используемым для формирования тяговой характеристики, нерабочий зазор требует дополнительной намагничивающей силы при любом режиме работы, то в предлагаемом варианте электромагнитного двигателя участок стали сердечника между проточкой и внутренним рабочим зазором выполняет роль нерабочего зазора только при насыщении стали магнитопровода. Это приводит к повышению экономичности двигателя.

Кольцевой паз с поперечным сечение в форме повернутой трапеции в наибольшей по толщине части якоря выполняет ту же роль, что и цилиндрическая проточка в сердечнике со стороны якоря по его геометрической оси.

Совокупность существенных признаков изобретения позволяет достичь следующие технические результаты:
1) повышение экономичности двигателя за счет того, что формирование тяговой характеристики осуществляется без использования нерабочих зазоров;
2) возможность изменения форм тяговой характеристики в широких пределах (т. е. изменения угла наклона характеристики к горизонтали от отрицательного к положительному);
3) работа якоря без ударов в конце рабочего хода.

На фиг. 1 изображен электромагнитный двигатель, разрез; на фиг. 2 - схема, поясняющая расположение рабочих зазоров между боковыми поверхностями якоря, сердечником и корпусом магнитопровода, а также углов наклона боковых поверхностей кольца; на фиг. 3 вариант электромагнитного двигателя с сердечником, имеющим цилиндрическую поверхность, разрез; на фиг. 4 другой вариант электромагнитного двигателя, в котором наибольшей по толщине части якоря выполнен кольцевой паз с поперечным сечением в форме перевернутой трапеции, разрез.

Электромагнитный двигатель с горизонтальной тяговой характеристикой содержит цилиндрический магнитопровод, состоящий из корпуса 1, сердечника 2, соединяющего их фланцы 3, обмотку 4, расположенную вокруг сердечника 2 и плоский внешний прямоходовой якорь с дисковой частью 5 и ферромагнитным шунтом, выполненным в виде кольца 6. Боковые поверхности 7 и 8 кольца 6 выполнены усеченно-коническими (фиг. 1). Угол наклона наружной боковой поверхности 3 кольца 6 к корпусу 1 магнитопровода превышает угол наклона внутренней боковой поверхности 7 кольца 6 к сердечнику 2.

Экспериментально установлено, что оптимальные значения тягового усилия могут быть получены, если отношение углов наклона боковых поверхностей 7 и 8 кольца 6 выбраны в пределах 2,5 3,5.

Экспериментальный двигатель содержит направляющий стержень 9, с помощью которого усилие, создаваемое якорем, передается на нагрузку. Направляющий стержень 9 установлен в подшипниках 10. Со стороны якоря на направляющем стержне установлена возвратная пружина 11, а на другое магнитопровода - немагнитная прокладка 12.

Тяговое усилие создается с помощью рабочих зазоров (фиг. 2): 1) внутреннего между внутренней боковой поверхностью 7 кольца 6 и сердечником 2 магнитопровода; 2) внешнего между наружной боковой поверхностью 8 кольца 6 и корпусом 1 магнитопровода; 3) зазора между дисковой частью 5 якоря и сердечником 2 и корпусом 1 магнитопровода. Величины зазоров равны δ₁, δ₂, δ₃ соответственно. В исходном положении якоря зазор δ₃ максимален. Углы наклона внутренней и наружной боковых поверхностей 7 и 08 кольца 06 равны Φ₁ и Φ₂.
Согласно тяговой характеристики, т. е. зависимости силы тяги электромагнита от величины хода якоря, и характеристики противодействующих движению якоря сил осуществляется изменением углов Φ₁ и Φ₂ боковых поверхностей 7 и 8 кольца 6, а также изменением величины рабочих зазоров δ₁ и δ₂ Величина зазора δ₁ выбирается минимальной. При этом может быть получена горизонтальная тяговая характеристика или характеристика имеющая небольшой положительный или отрицательный угол наклона к горизонтали. При увеличении углов Φ₁, Φ₂ угол наклона тяговой характеристики меняется от отрицательного к положительному.

В варианте электромагнитного двигателя (фиг. 3) в сердечнике 2 магнитопровода со стороны якоря по его геометрической оси выполнена цилиндрическая проточка 13, а кольцо 6 имеет цилиндрические боковые поверхности 7 и 8.

Согласование тяговой характеристики, т.е. зависимости силы от величины хода якоря, и характеристики противодействующих движению якоря сил проводится изменением глубины проточки 13 в сердечнике 2 и ее диаметра, а также изменением рабочих зазоров δ₁, δ₂ (фиг. 2). При этом может быть получена горизонтальная характеристика, либо характеристика, имеющая небольшой положительный или отрицательный угол наклона к горизонтали.

Экспериментально было установлено, что глубина цилиндрической проточки 13 должна быть выбрана так, чтобы она была меньше величины максимального ходя якоря, а диаметр проточки 13 по меньшей мере равен удвоенной ее глубине.

В другом варианте экспериментального двигателя (фиг. 4) в кольце 6 якоря выполнен кольцевой паз 13, имеющий поперечное сечение в форме перевернутой трапеции.

Согласование тяговой характеристики с характеристикой противодействующих движению якоря сил проводится изменением глубина паза 13 и углов наклона его боковых поверхностей.

Расчетным и экспериментальным путем было установлено, что, если отношение величин внешнего и внутреннего рабочих зазоров δ₂ и δ₁ (фиг. 2) равно отношению внешнего и внутреннего радиусов обмотки 4, то силы тяги, создаваемые рабочими зазорами δ₂ и δ₁ примерно одинаковы, а суммарная сила достигает максимального значения.

Электромагнитный двигатель работает следующим образом.

При подаче импульса напряжения в обмотку 4 (фиг. 1, 3 4) якоря втягивается в полость магнитопровода, совершая рабочий ход. При этом усилие, создаваемое якорем, с помощью направляющего стержня 9 передается на нагрузку. После окончания импульса якорь возвращается в исходное положение под действием возвратной пружины 11. Подбором толщины δ_п немагнитной прокладки 12 (фиг. 1, 3 и 4) может быть получена тяговая характеристика с минимальным значением тягового усилителя в конце хода. При этом достигается работа якоря без ударов в конце рабочего хода.

В варианте электромагнитного двигателя (фиг. 3) в начале хода якоря при больших значениях магнитных сопротивлений рабочих зазоров магнитный поток системы мал и участок сердечника 2 между цилиндрической проточкой 13 и внутренним рабочим зазором ненасыщенным и не имеет магнитного сопротивления. При дальнейшем движении якоря магнитный поток системы увеличивается и участок стали сердечника 2 между проточкой 13 и внутренним рабочим зазором со стороны внутренней боковой поверхности 7 кольца 6 насыщается. Этот участок стали начинает выполнять роль нерабочего зазора, перераспределяя намагничивающую силу между другими участками магнитопровода и выравнивая тяговую характеристику двигателя.

В другом варианте электромагнитного двигателя (фиг. 4) в начале хода якоря при больших значениях магнитных сопротивлений рабочих зазоров сталь якоря ненасыщена. При дальнейшем движении якоря магнитный поток системы увеличивается и участки стали якоря между внутренними поверхностями кольцевого паза 13 и боковыми поверхностями 7 и 8 кольца 6 насыщаются. Эти участки стали начинают выполнять роль нерабочего зазора, перераспределяя намагничивающую силу между другими участками магнитопровода и выравнивая тяговую характеристику двигателя.

Вариант электромагнитного двигателя (фиг. 4) предпочтителен при необходимости иметь большой максимальный ход якоря, так как выполнение кольцевого паха в якоре с формой поперечного сечения в виде перевернутой трапеции, уменьшает вес якоря.

Возможно комбинирование вариантов выполнения электромагнитного двигателя. Например, выполнение ферромагнитного шунта в виде кольца с боковыми усеченно-коническими поверхностями и цилиндрической проточкой в сердечнике, или с кольцевым пазом, выполненным в якоре. При этом возможности формирования тяговой характеристики расширяются и могут быть получены тяговые характеристики при больших значениях ходов якоря.

Предлагаемое изобретение повышает экономичность электромагнитного двигателя. В сравнении с известными электромагнитными механизмами с горизонтальной тяговой характеристикой /Ротерс. Электромагнитные механизмы. -М. -Л. Госэнергоиздат, 1949, с. 240, рис. 9, 7; с. 241, рис. 9.8/ предлагаемый электромагнитный двигатель имеет примерно в 2,5 раза меньшее использование материала на единицу работы при таких же условиях нагрева обмотки. Изобретение позволяет упростить конструкцию двигателя, повысить технологичность изготовления, обеспечивает удобство размещения обмотки и компактность двигателя.

Использование: в электромеханических устройствах и поступательным перемещением рабочего звена, например, для привода дозировочных насосов. Сущность изобретения: электромагнитный двигатель содержит цилиндрический магнитопровод, состояний из корпуса 1, сердечника 2, соединяющего их фланца 3, обмотку 4, расположенную вокруг сердечника 2 и плоский внешний прямоходовой якорь с ферромагнитным шунтом, выполненным в виде кольца 6. Боковые поверхности кольца 6 выполнены усеченно-коническими. Угол наклона наружной боковой поверхности 8 кольца 6 к корпусу 1 магнитопровода превышает угол наклона внутренней боковой поверхности 7 кольца 6 к сердечнику 2. 3 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электромагнитный двигатель с горизонтальной тяговой характеристикой, содержащий цилиндрический магнитопровод, состоящий из корпуса, сердечника, соединяющего их фланца, обмотку, расположенную вокруг сердечника, и плоский внешний прямоходный якорь с ферромагнитным шунтом, выполненным в виде кольца, отличающийся тем, что боковые поверхности кольца выполнены усеченно-коническими, причем угол наклона наружной боковой поверхности кольца к корпусу магнитопровода превышает угол наклона внутренней боковой поверхности кольца к сердечнику. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что отношение углов наклона боковых поверхностей кольца выбирается в пределах 2,5 3,5. 3. Электромагнитный двигатель с горизонтальной тяговой характеристикой, содержащий цилиндрический магнитопровод, состоящий из корпуса, сердечника соединяющего их фланца, обмотку, расположенную вокруг сердечника, и плоский внешний прямоходный якорь с ферромагнитным шунтом, выполненным в виде кольца с цилиндрическими боковыми поверхностями, отличающийся тем, что сердечник имеет цилиндрическую проточку, выполненную со стороны якоря по его геометрической оси, глубиной не более максимального хода якоря и диаметром, по крайней мере равным удвоенной ее глубине. 4. Электромагнитный двигатель с горизонтальной тяговой характеристикой, содержащий цилиндрический магнитопровод, состоящий из корпуса, сердечника, соединяющего их фланца, обмотку, расположенную вокруг сердечника, и плоский внешний прямоходный якорь с ферромагнитным шунтом, выполненным в виде кольца с цилиндрическими боковыми поверхностями, отличающийся тем, что в наибольшей по толщине части якоря выполнен кольцевой паз с поперечным сечением в форме перевернутой трапеции. 5. Двигатель по пп. 1, 3 и 4, отличающийся тем, что отношение величин внешнего и внутреннего рабочих зазоров между кольцевой частью якоря и магнитопроводом равно отношению внешнего и внутреннего радиусов обмотки.