ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРИВОД КЛАПАНОВ Российский патент 1999 года по МПК F16K31/08 F01L31/08 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромагнитным приводам клапанов, преимущественно для двигателей внутреннего сгорания.

Известно "Устройство для электромагнитного управления клапанами, совершающими возвратно-поступательное движение" (заявка ФРГ N OS 3500530 F 01 L 9/04 опубл. 86.07.10), состоящее из двух электромагнитных систем с общим якорем, установленным на стержне клапана и защемленным между двумя пружинами, действующими навстречу друг другу, и двух постоянных магнитов, расположенных внутри периферийной части магнитопровода обмотки. Расположение магнитов на максимальном удалении от рабочего зазора между якорем и торцевой поверхностью магнитопроводов, охватывающих обмотки приводит к существенному шунтированию поля от постоянного магнита, попадающего в рабочий зазор, полями рассеяния между магнитопроводами обмоток и, как следствие, существенному ослаблению силы магнита, действующей на якорь. Кроме того, подобное расположение магнита существенно ухудшает силовую характеристику, которая принимает гиперболический вид, когда сила на максимальном зазоре минимальна и резко возрастает на минимальном зазоре. При сложении сил от пары магнитов и двух пружин суммарная характеристика имеет явно выраженный нелинейный характер, что приводит в динамике к возникновению самопроизвольных автоколебательных движений якоря. Наличие двух электромагнитных систем (контуров) существенно ухудшает динамику работы из-за возникновения ЭДС в одной из них при изменении тока в другой и увеличения взаимной индуктивности, приводящей к возрастанию постоянной времени обмоток.

Наиболее близким к заявляемому электродинамическому привоз является "Приводное устройство для вакуумных клапанов" (заявка ЕПВ N 0219572 F 16 K 31/08 опубл. 87.04.29), содержащее анкер, возвратно-поступательно перемещающийся между двумя положениями, катушку, постоянный магнит, расположенный внутри катушки, пружину. При этом в положении, когда анкер и магнит прилегают друг к другу, усилие магнита превышает усилие пружины; когда анкер находится на некотором расстоянии от магнита, усилие пружины больше усилия магнита.

Указанное приводное устройство, выбранное за прототип, имеет два устойчивых положения при обесточенной обмотке, т.е. сила магнита не может преодолеть силу пружины на некотором удалении от него анкера. Из этого следует, что со стороны обмотки (а, значит, внешнего источника энергии) должна быть совершена работа сначала на ослабление сил магнита для перемещения анкера из одного устойчивого положения, а затем на преодоление силы пружины для перемещения анкера в другое устойчивое положение, т.е. обмотка на одном цикле работы клапана совершает одну и ту же работу два раза. Кроме того, при подаче двух (разнополярных) импульсов на обмотку удваивается постоянная времени закрытия и открытия клапана.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании электродинамического привода с возможно минимальным потреблением электрической энергии и максимальным быстродействием.

Технические результаты, достигаемые при осуществлении изобретения, состоят в повышении эффективности работы постоянного магнита и увеличении быстродействия привода. Это достигается тем, что в электродинамическом приводе клапанов, содержащем магнитомягкий магнитопровод, внутри которого размещены магнитомягкий подпружиненный якорь, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения, постоянный магнит и обмотка управления, новым является то, что внутри обмотки управления размещен магнитомягкий сердечник, постоянный магнит установлен на торце указанного сердечника, обращенном в сторону якоря, при этом размеры магнита выбраны из соотношений:

где l_м - длина магнита в направлении намагниченности;
i_зад - заданная величина постоянного тока в обмотке управления;
l_k - высота намотки обмотки управления;
d_k - наружный диаметр обмотки управления;
d_ж - диаметр магнитомягкого сердечника обмотки управления;
Z - коэффициент заполнения обмотки управления;
d_пр - диаметр провода (по металлу) обмотки управления;
H_с - коэрцитивная сила материала магнита;
θ - магнитная жесткость материала магнита;
ρ - удельное сопротивление материала провода обмотки управления;
μ₀ - магнитная постоянная;
l_з1 - воздушный зазор между якорем и магнитом;
τ_зад - заданная величина максимально допустимой постоянной времени обмотки управления.

Кроме того, для повышения ресурса работы привода клапанов и улучшения его функционирования за счет устранения ударов якоря по упорам и отскоков от них в крайних положениях, на внутренней поверхности магнитопровода вдоль пути перемещения якоря установлен матнитно-индукционный демпфер, например; в виде кольца из электропроводящего материала.

Размещение магнитомягкого сердечника внутри обмотки управления, установка постоянного магнита на торце сердечника, обращенном в сторону якоря, и выбор размеров магнита в соответствии с соотношениями (1) позволяют, при прочих равных условиях (по сравнению с прототипом), увеличить размеры постоянного магнита, уменьшить размеры обмотки управления, что приводит к увеличению силы магнитного притяжения, улучшению (линеаризации) ее (силы) характеристики, уменьшению энергопотребления и постоянной времени обмотки травления и, как следствие, к повышению эффективности работы постоянного магнита и увеличению быстродействия привода в целом.

Соотношения (1) получены исходя из следующих рассуждений. Якорь постоянно находится под воздействием противоположно направленных сил: силы притяжения со стороны магнита F_м, направленной на закрытие клапана, и силы пружины сжатия F_пр, направленной на открытие клапана. При обесточенной обмотке управления магнит притягивает к себе якорь с клапаном, преодолевая силу пружины, и удерживает его с заданным усилием F_зад, обеспечивающим; например, герметичную посадку запорной тарелки клапана в седло. При подаче на обмотку управления напряжения заданной величины и полярности намагничивающая сила обмотки уменьшает намагничивающую силу магнита. Сила притяжения якоря к магниту становится меньше силы пружины, последняя перемещает якорь с клапаном в направлении открытия и удерживает его в состоянии открытия с заданным усилием F_зад ^откр.

Для обеспечения перемещения якоря с клапаном в направлении открытия или закрытия баланс действующих на якорь сил должен удовлетворять следующим соотношениям:

где - сила притяжения магнита, зависящая от вектора конструктивных параметров привода тока в обмотке управления заданной величины и полярности i_зад, величины воздушного зазора между торцевой поверхностью магнита и торцевой поверхностью якоря l₃;
F_пр(К,l₃) - сила пружины, зависящая от величины перемещения (зазора) якоря относительно магнита l₃ и жесткости пружины К;
F_зад ^откр - заданная необходимая сила открытия;
F_зад ^откр - заданная необходимая сила закрытия и удерживания.

Быстродействие привода определяется величинами сил открытия и закрытия, приведенной к якорю массой подвижных элементов (m_пр) и постоянной времени обмотки управления. Постоянная времени обмотки управления τ является определяющей величиной, влияющей на быстродействие, и должна удовлетворять следующему соотношению:

где индуктивность обмотки управления, зависящая от вектора конструктивных параметров привода и величины зазора l₃;
сопротивление обмотки управления, зависящее от вектора конструктивных параметров привода
τ_зад - заданная максимально допустимая постоянная времени обмотки управления.

Вектор конструктивных параметров включает в себя следующие величины:
d_м - диаметр цилиндрического магнита;
l_м - длина магнита в направлении намагниченности;
d_ж - диаметр магнитомягкого сердечника обмотки;
d_k - наружный диаметр обмотки управления;
l_k - высота намотки обмотки управления;
l_з - воздушный зазор между якорем и магнитом;
H_с - коэрцитивная сила материала магнита;
θ - магнитная жесткость материала магнита;
μ₀ - магнитная постоянная;
d_пр - диаметр провода (по металлу) обмотки управления;
Z - коэффициент заполнения обмотки управления;
ρ - удельное сопротивление материала провода обмотки управления;
F_подж - максимальная сила поджатая пружины;
K - коэффициент жесткости пружины сжатия.

Обеспечить выполнение соотношений (2) и (3) можно соответствующим выбором конструктивных параметров магнита (d_м, l_м, H_с, θ), обмотки управления (d_ж, d_к, l_k', d_пр, Z, ρ), пружины (F_подж, К, l,) и подбором их взаимного расположения.

Сила, действующая на торец якоря со стороны магнита, при наличии i_зад в обмотке:

Сила, действующая на торец якоря со стороны магнита, при обесточенной обмотке управления (i_зад=0):

Сила пружины, действующая на торец якоря:
F_пр(K,l_з)=F_подж-K•l_з.

Обычно динамика клапана при открытии и закрытии, или, другими словами, время перемещения клапана из закрытого состояния в открытое и наоборот, должна быть одинаковой, т.е. должно выполняться условие равенства сил:
F_зад ^откр=-F_зад ^закр.

Подставив (4), (5), (6) в (2), приравняв левые части выражений (2) со знаками согласно (7); сократив подобные члены, получим выражение, определяющее взаимосвязь длины магнита с остальными конструктивными параметрами:

Индуктивность обмотки управления определяется выражением:

Сопротивление обмотки управления:

Подставив (9) и (10) в (3) и сократив подобные члены, получим выражение, определяющее взаимосвязь диаметра магнита с длиной магнита по (8) и остальными конструктивными параметрами:

Таким образом, выполнение магнита в размерах, удовлетворяющих соотношениям конструктивных параметров (8), (11), выведенных из начальных условий (2), (3) позволяет получить электродинамический привод клапанов, обеспечивающий необходимые усилия открытия, закрытия, удержания и быстродействие.

Выполнение требований по усилиям и быстродействию, предъявляемых к приводу, приводит к ударам якоря по упорам в крайних положениях и нежелательным отскокам от них. Действительно, якорь, разгоняясь под действием заданных сил F_зад ^откр или F_зад ^закр, достигает в конце хода значительных скоростей. Так, например, при l_з 10•10^-3 м, m_пр =0,1 кг, F_зад ^откр=-F_зад ^закр≈60 H, скорость якоря в конце хода (без демпфирования) достигает 8 м/с. С целью уменьшения скорости якоря в конце его ходов на внутренней поверхности матнитопровода вдоль пути перемещения якоря установлен магнитно-индукционный демпфер, например, в виде электропроводящего кольца. Магнитный поток, замыкающийся через цилиндрическую поверхность якоря, пересекает в радиальном направлении электропроводящее (например, медное) кольцо. В последнем при перемещении якоря наводятся индукционные токи, магнитное поле которых, взаимодействуя с якорем, противодействует его перемещению. При этом демпфирующая сила тем больше, чем выше скорость относительного перемещения, т.е:

где коэффициент индукционного демпфирования, зависящий от вектора конструктивных параметров привода и демпфера
скорость перемещения якоря относительно кольца во времени.

Коэффициент индукционного демпфирования определяется при решении системы электродинамических дифференциальных уравнении движения якоря из условия заданной максимально допустимой скорости подлета якоря к утюрам. Затем, при известном коэффициенте демпфирования, определяются конструктивные параметры демпфера: толщина кольца и толщина якоря.

На чертеже изображен электродинамический привод в состоянии открытия, когда обмотка находится под напряжением.

Привод содержит магнитомягкий магнитопровод 1, внутри которого размещены магнитомягкий якорь 2, соединенный с клапаном (на фиг. не показано), постоянный магнит 3, обмотка управления 4; внутри которой размещен магнитомягкий сердечник 5, электропроводящее демпфирующее кольцо 6, пружина 7. Постоянный магнит 3 установлен на торце сердечника 5, обращенном в сторону якоря 2. Электропроводящее кольцо 6 установлено на внутренней поверхности магнитопровода 1 вдоль пути перемещения якоря 2. Размеры постоянного магнита 3 выбраны из соотношений (1).

Электродинамический привод работает следующий образом. При отсутствии напряжения на управляющей обмотке 4 постоянный магнит 3 притягивает к себе якорь 2. преодолевая усилие пружины сжатия 7, при этом соединенный с якорем клапан (не показан) находится в состоянии закрытия. При подаче напряжения на заправляющую обмотку 4 определенной величины и полярности намагничивающая сила обмотки уменьшает намагничивающую силу магнита 3, пружина 7 пересиливает магнит, при этом якорь 2 с клапаном перемещается в состояние открытия и удерживается в нем. При снятии напряжения с обмотки магнит 3 снова, преодолевая действие пружины, перемещает якорь 2 с клапаном в состояние закрытия и удерживает его в этом положении с необходимым усилием поджатия.

Электродинамический привод клапанов предназначен для двигателей внутреннего сгорания. Электродинамический привод клапанов содержит магнитомягкий магнитопровод, внутри которого размещены магнитомягкий подпружиненный якорь, постоянный магнит и обмотка управления. Магнитомягкий подпружиненный якорь установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения. Внутри обмотки размещен магнитомягкий сердечник. На торце которого со стороны, обращенной в сторону якоря, установлен постоянный магнит. Приведена математическая зависимость выбора размеров магнита. На внутренней поверхности магнитопровода вдоль пути перемещения якоря закреплен магнитно-индукционный демпфер в виде кольца из электропроводящего материала. Изобретение позволяет увеличить размеры постоянного магнита, уменьшить размеры обмотки управления, что приводит к увеличению силы магнитного притяжения, улучшению (линеаризации) ее (силы) характеристики, уменьшению энергопотребления и постоянной времени обмотки управления и, как следствие, к повышению эффективности работы постоянного магнита и увеличению быстродействия привода в целом. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Электродинамический привод клапанов, содержащий магнитомягкий магнитопровод, внутри которого размещены магнитомягкий подпружиненный якорь, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения, постоянный магнит и обмотка управления, отличающийся тем, что внутри обмотки управления размещен магнитомягкий сердечник, постоянный магнит установлен на торце указанного сердечника, обращенном в сторону якоря, при этом размеры магнита выбраны из соотношений

где l_м - длина магнита в направлении намагниченности;
i_зад - заданная величина постоянного тока в обмотке управления;
l_к - высота намотки обмотки управления;
d_к - наружный диаметр обмотки управления;
d_ж - диаметр магнитомягкого сердечника обмотки управления;
Z - коэффициент заполнения обмотки управления;
d_пр - диаметр провода (по металлу) обмотки управления;
H_с - коэрцитивная сила материала магнита;
θ - магнитная жесткость материала магнита;
ρ - удельное сопротивление материала провода обмотки управления;
μ₀ - магнитная постоянная;
l_з - воздушный зазор между якорем и магнитом;
τ_зад - заданная величина максимально допустимой постоянной времени обмотки управления. 2. Электродинамический привод по п.1, отличающийся тем, что на внутренней поверхности магнитопровода вдоль пути перемещения якоря установлен магнитно-индукционный демпфер, например, в виде кольца из электропроводящего материала.