ЭЛЕКТРОМАГНИТ Российский патент 1999 года по МПК H01F7/13 H01F7/16 

Изобретение относится к машиностроению, точнее к электромеханическим преобразователям, и может быть использовано для привода подвижных частей пневматических и гидравлических распределителей, а также устройств автоматики (клапанов, защелок, мощных выключателей, контакторов), в том числе применяемых для автоматизации сельскохозяйственной техники.

Электромагнитные и магнитные механизмы, в которых используют силы магнитного притяжения элементов, находят широкое применение, и выполняют их в широком диапазоне передаваемых мощностей и тяговых усилий. Как показывает практика, при разработке электромагнитных механизмов необходимым показателем качества конструкции является ее технологичность, эксплуатационная надежность, минимальные габариты и масса, простота обслуживания и принципиальная простота конструкции, исключающая возникновение явлений, не поддающихся предварительному учету. При этом необходимо учитывать прохождение магнитного потока по деталям устройств, в связи с чем соединение деталей, образующих магнитную цепь устройства, должно осуществляться с минимальными зазорами, а магнитопроводы должны изготавливаться из магнитомягкой стали с прочностью, соответствующей механическим нагрузкам. Выполнение указанных положений позволяет спроектировать надежно работающие магнитные механизмы. Однако, учитывая широкий диапазон использования, приходится констатировать, что в некоторых случаях указанные выше требования вступают в противоречие. Так, например, повышение тягового усилия или быстродействия приводит к усложнения устройства, увеличению его габаритов, массы и т.п. [1].

Известен электромагнит, содержащий Ш-образный магнитопровод с внешними полюсами, обмотку возбуждения, якорь, дополнительные обмотки, размещенные на дополнительных внешних полюсах так, что они охватывают указанные полюса или части их [2], причем дополнительные обмотки выполнены так, что произведение числа витков каждой дополнительной обмотки на площадь полюса, охваченной ею, есть величина постоянная.

Использование дополнительных обмоток, размещенных на дополнительных полюсах, позволяет стабилизировать скорости изменения магнитного поля во внешних полюсах магнитопровода и обеспечить равномерное распределение индукции в немагнитном зазоре по плоскости полюсов в любой момент времени.

Однако известные электромагниты такого типа и предлагаемый имеют наиболее круто падающую тяговую характеристику, что затрудняет согласование ее с механическими характеристиками сопрягаемых с электромагнитом устройств. Кроме того, такие магниты имеют значительные потоки рассеяния, что ведет к увеличению габаритов и массы магнитов при необходимости обеспечения значительных тяговых усилий в начальный момент.

Известны также электромагниты соленоидного типа с якорями, снабженными дополнениями в виде штоков. Например, электромагнит, содержащий корпус, катушку, якорь со штоком, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения внутри корпуса [3] , а также возвратную пружину, жестко скрепленную с якорем и корпусом. Якорь и стопа снабжены винтовыми пробками, на которых закреплена пружина, уменьшающая одностороннее магнитное притяжение и касание цилиндрических поверхностей якоря с корпусом, что уменьшает путь трения, повышает долговечность, безотказность работы во время срабатывания и отпускания. Или электромагнит, содержащий цилиндрический корпус, расположенные в нем концентрично неподвижный стоп, обмотку управления, якорь и шток [4]. При этом неподвижный стоп выполнен в виде стержня со скошенным торцом и центральным отверстием, обмотка управления установлена вокруг неподвижного стопа, якорь имеет ступенчатую форму со скошенными торцами и консольно закреплен на штоке. Неподвижный стоп и цилиндрический корпус образуют коаксиальные полюсы, а указанный шток установлен с возможностью перемещения внутри неподвижного стопа так, что якорь образует с поверхностями указанных полюсов рабочие зазоры. Кроме того, неподвижный стоп выполнен ступенчатой формы и снабжен немагнитной втулкой, которая снижает опасность заклинивания штока, таким образом повышая надежность и ресурс электромагнита, что расширяет область его применения. Или электромагнит, содержащий обмотку, якорь, установленный на толкателе, сердечник и магнитопровод [5], выполненный в виде кожуха с основанием и воротничком, охватывающим якорь, причем якорь выполнен с выемкой, и указанная выемка имеет образующую в виде кривой, вершина которой обращена в сторону сердечника. Использование электромагнита с указанной выемкой позволяет повысить быстродействие автоматики, где такие электромагниты используют.

Однако, как и в предыдущем случае, электромагниты соленоидного типа характеризуются значительными ударными нагрузками, снижение которых приводит к усложнению конструкции, что ограничивает диапазон их использования. Для увеличения диапазона использования таких электромагнитов необходимо изменять их электрические характеристики, что практически всегда ведет к существенному увеличению габаритов и массы.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является электромагнит, содержащий Ш-образный сердечник со сквозным отверстием, катушку и якорь [6]. Электромагнит также содержит дополнительный якорь, не закрепленный конец которого введен в зону рабочего воздушного зазора в сердечнике. Причем дополнительный якорь выполнен из ферромагнитного материала.

Как отмечают авторы изобретения, благодаря наличию сквозного отверстия в сердечнике и жесткому креплению дополнительного якоря, свободный конец которого входит в рабочий зазор отверстия, увеличен рабочий ход якоря. Кроме того, увеличена втягивающая электромагнитная сила, что повышает надежность работы электромагнита без изменения его электрических показателей.

Однако увеличение втягивающей силы приводит к повышению ударных нагрузок, к деформации стоп. Возникает опасность заклинивания дополнительного якоря в сквозном отверстии, несмотря на снижение тягового усилия при ослаблении магнитного потока ферромагнитным якорем. Увеличение хода якоря при постоянном характере изменения магнитного потока приводит к тому, что силы действия якоря на стопы магнитопровода достигают наибольшего значения при минимальных зазорах между основным якорем и магнитопроводом. Это приводит к тому, что стопы деформируются под действием постоянных ударных нагрузок. Стремление уменьшить ударные нагрузки путем изменения электрических параметров ведет к снижению тягового усилия в начальный момент, что снижает надежность работы электромагнита в качестве составляющей устройств автоматики, и, кроме того, увеличение тягового усилия таких магнитов путем изменения их электрических характеристик ведет к увеличению габаритов и массы.

Поэтому главной целью предлагаемого технического решения является повышение надежности, а дополнительной целью является уменьшение габаритов и массы при сохранении определенных электромеханических характеристик.

Поставленная цель достигается тем, что в известном электромагните, содержащем Ш-образный сердечник со сквозным отверстием в осевом стопе, катушку, основной и дополнительный якори, согласно изобретению, дополнительный якорь выполнен из ферромагнитного материала как продолжение вертикальной части Т-образного якоря, по высоте равным высоте осевого стопа, составляющего 10-30% высоты боковых стоп, по площади равным 10-30% площади сечения вертикальной части Т-образного якоря и снабженным немагнитным штоком, который проходит через сквозное отверстие осевого стопа и служит продолжением дополнительного ферромагнитного якоря.

Использование основного якоря Т-образной формы, выполненного таким образом, что его вертикальная часть непосредственно взаимодействует с магнитным полем катушки, что снижает потери на рассеяние магнитного потока и ведет к увеличению тягового усилия в начальный момент. Использование дополнительного якоря из ферромагнитного материала, высотой соответствующей высоте осевого стопа, составляющего только часть высоты боковых стоп, также увеличивает тяговую силу в начале движения якоря и существенно уменьшает ее в конце за счет закорачивания магнитного потока сердечника. Размеры ферромагнитной части окончательно устанавливают в зависимости от механических характеристик устройств, сопрягаемых с электромагнитом. Использование немагнитного конца, проходящего через сквозное отверстие осевого стопа, исключает заклинивание его в сердечнике. Использование немагнитного штока упрощает конструкцию, поскольку отпадает необходимость в специальных направляющих для якоря, что также ведет к уменьшению габаритов и массы электромагнита.

Увеличение тягового усилия в начальный момент за счет взаимодействия вертикальной части якоря непосредственно с магнитным полем катушки и уменьшение его в конце хода якоря за счет закорачивания магнитного потока ферромагнитной частью якоря позволяет при неизменных электрических параметрах электромагнита существенно уменьшить его габариты и массу.

Использование дополнительного якоря из ферромагнитного материала указанных размеров и Ш-образного сердечника с укороченной осевой стопой позволяет принципиально изменить тяговую характеристику электромагнита. В этом заключается новый технический результат, достигаемый заявляемым техническим решением.

Как видно из изложения сущности заявляемое решения, оно отличается от прототипа и, следовательно, является новым.

Решение также обладает изобретательским уровнем. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования электромагнита, в котором, вследствие выполнения свободного конца вертикальной части Т-образного якоря ступенчатым из ферромагнитного и немагнитного материала, причем высота ферромагнитной части ступени равна высоте осевого стопа и составляет 10-30% высоты боковых стоп, а немагнитный конец проходит через сквозное отверстие в осевом стопе, обеспечивается тяговая характеристика, имеющая большие значения электромагнитной силы в начале движения якоря, то есть при максимальном зазоре, и меньшее значение электромагнитной силы в конце движения якоря, то есть при минимальном зазоре между стопами и якорем, и за счет этого уменьшаются ударные нагрузки на стопы электромагнита, повышается его надежность, увеличивается срок службы.

Известны основы конструирования электромагнитных приводов [7, 8, 9]. При этом учитываются, в частности, статические и динамические тяговые и противодействующие характеристики электромагнитов. Рассмотрение этих характеристик показывает, что наибольшее значение тяговая сила во всех случаях достигает при минимальных зазорах, что ведет к значительным ударным нагрузкам на стопы электромагнита. Известные решения для уменьшения влияния ударных нагрузок используют различные конфигурации якоря или пружины. Однако с их помощью не удается принципиально изменить тяговую характеристику, а следовательно, существенно уменьшить ударные нагрузки. Известно использование и ферромагнитного материала для дополнительного якоря, который взаимодействует с осевым стопом в начальный момент, ослабляя магнитный поток в течение всего хода якоря [6].

Однако в известном решении ферромагнитная часть якоря закорачивает магнитный поток практически с начала движения якоря, то есть ослабляет тяговое усилие не только в конце, но и в начале, что существенно снижает надежность срабатывания электромагнита в качестве привода устройств автоматики.

Поэтому, как отмечено выше, использование дополнительного якоря из ферромагнитного материала указанных размеров и Ш-образного сердечника с укороченной осевой стопой позволяет принципиально изменить тяговую характеристику электромагнита.

Решение также промышленно применимо. Оно может быть использовано в качестве электромагнитного привода в различных системах автоматического управления промышленными процессами.

На чертеже показано схематическое изображение общего вида заявляемого электромагнита.

Электромагнит содержит корпус 1, в котором расположено Ш-образный сердечник 2, катушка 3. Основной якорь 4 выполнен Т-образным и соединен с дополнительным якорем 5. Последний выполнен из ферромагнитного материала. Дополнительный якорь 5 соединен со штоком 6. Ш-образный сердечник 2 характеризуется тем, что его осевая стопа имеет высоту 5 мм, боковые стопы высотой 30 мм, имеет отверстие диаметром 16 мм, через которое проходит шток 6 длиной 40 мм и диаметром 15,5 мм и дополнительный якорь 5 длиной 11 мм и диаметром 15,9 мм. На боковых стопах размещены короткозамкнутые витки 7.

Электромагнит работает следующим образом. В исходном положении между боковыми стопами сердечника 2 и якорем 4 устанавливают зазор, который равен ходу штока 6. При этом вертикальная часть якоря 4 входит в катушку 3, и между осевым стопом и якорем также устанавливается соответствующий зазор. При подаче напряжения на катушку 3 начинает действовать электромагнитная сила, притягивающая якорь 4. При этом наибольшая сила возникает за счет взаимодействия ферромагнитной части 5 с магнитным полем катушки 3 в начальный момент и существенно уменьшается при замыкании магнитного поля сердечника ферромагнитной частью якоря. Короткозамкнутые витки 7 также ослабляют притяжение якоря к сердечнику.

Изготовленные на основе заявляемого решения опытные образцы показали при одинаковом рабочем ходе штока увеличение тяговой силы в 1,6 раза, уменьшение габаритов в 2,2 раза, веса меди в 2 раза.

Изобретение относится к машиностроению и используется для привода подвижных частей пневматических и гидравлических распределителей, а также устройств автоматики (клапанов, защелок, мощных выключателей, контакторов), в том числе применяемых для автоматизации сельскохозяйственной техники. Технический результат изобретения заключается в усовершенствовании электромагнита, в котором обеспечивается тяговая характеристика, имеющая большие значения электромагнитной силы в начале движения якоря, то есть при максимальном зазоре, и меньшее значение электромагнитной силы в конце движения якоря, то есть при минимальном зазоре между стопами и якорем, и за счет этого уменьшаются ударные нагрузки на столы электромагнита, повышается его надежность, увеличивается срок службы. Основной якорь 4 электромагнита выполнен Т-образным и соединен с дополнительным якорем 5, выполненным из феромагнитного материала. Электромагнит имеет Ш-образный сердечник 2, имеющий разные по высоте осевой и боковые стопы, причем высота осевого стопа составляет 10 - 30% высоты боковых стоп. Дополнительный якорь 5 равен по высоте осевому стопу, а его площадь равна 10 - 30% площади сечения вертикальной части Т-образного якоря. 1 ил.

Электромагнит, содержащий Ш-образный сердечник со сквозным отверстием в осевом стопе, катушку, основной и дополнительный якорь, отличающийся тем, что основной якорь выполнен Т-образным, дополнительный якорь выполнен из ферромагнитного материала и как продолжение вертикальной части Т-образного якоря, равным по высоте осевого стопа, составляющего 10 - 30% высоты боковых стоп, и площадью 10 - 30% площади сечения вертикальной части Т-образного якоря и снабженным немагнитным штоком, который проходит через сквозное отверстие осевого стопа и служит продолжением ферромагнитного дополнительного якоря.