ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН Российский патент 2000 года по МПК F16K31/02 

Изобретение относится к запорной арматуре пневмо- и гидросистем.

Известны электроклапаны (ЭК), использующие для перемещения запорных органов электромагнитный привод с поступательным движением якоря (см. например, [1], стр.12 рис.1.1).

Недостатком подобных ЭК является то, что для обеспечения требуемых гидравлических характеристик, особенно при сравнительно больших диаметрах проходного сечения запорной пары, требуется большое значение хода якоря. Оптимальное отношение хода якоря (δ) к диаметру седла (D), с точки зрения гидравлических характеристик, лежит в пределах 0,2...0,3 (см. например, [2] стр. 460). Так, например, для ЭК с диаметром седла 20 мм требуется электромагнитный привод с ходом якоря 6 мм. Поскольку магнитная проводимость воздушного рабочего зазора меньше проводимости такого же участка ферромагнитного материала в 1000 - 5000 раз, то потери магнитного потока в таком рабочем зазоре эквивалентны потерям в магнитопроводе того же сечения, длиной ≈ 15 м.

Таким образом, увеличение хода якоря ведет к увеличению потребного значения намагничивающей силы электромагнита, а следовательно, к значительному увеличению его массы и габаритов. Кроме того, увеличение хода якоря в ЭК ведет к ухудшению его динамических характеристик вследствие увеличения времени движения якоря.

Дополнительным недостатком подобных схем ЭК является то, что гидравлический тракт внутри клапана имеет сложную форму с поворотами и различной площадью по длине тракта, что связано с применением прямоходового электромагнитного привода и необходимостью перекрывать отверстие седла поступательным движением затвора. В связи с этим для обеспечения необходимого расхода рабочего тела через ЭК необходимо затрачивать часть потенциальной энергии рабочего тела (или энергии насоса) на преодоление гидравлического сопротивления тракта сложной формы, причем большая часть потерь реализуется на запорной паре клапана.

Существенным недостатком указанных схем ЭК является необходимость удержания затвора в открытом положении электромагнитными силами, что существенно повышает энергопотребление привода. Это касается в большей степени клапанов, работающих в режимах с длительными включениями.

Задачей, решаемой изобретением, является устранение указанных выше недостатков, т.е. снижение энергопотребления ЭК до нуля во включенном состоянии, обеспечение минимальных гидравлических потерь, уменьшение габаритов и массы ЭК.

Решение задачи состоит в том, что в электромагнитном клапане, состоящем из электромагнита с подпружиненным прямоходовым якорем со сферическим затвором, размещенным в корпусе с входным и выходным каналами, седла с уплотнением, в якоре выполнено отверстие для протока рабочего тела, сферический затвор выполнен из намагниченного материала и закреплен на якоре с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси и ориентации по направлению магнитного потока, возникающего в магнитной цепи электромагнита, включен в магнитную цепь электромагнита, а в сферическом затворе выполнен канал для протока рабочего тела, совпадающий в одном из крайних положений затвора с выходным отверстием.

На фиг. 1-6 представлена конструктивная схема предлагаемого ЭК.

На фиг. 1 приведен продольный разрез клапана в плоскости, перпендикулярной оси вращения сферического затвора; на фиг. 2 - в плоскости оси вращения сферического затвора. На фиг. 3, 4, 5, 6 приведены фазы закрытия и открытия клапана.

Предлагаемый клапан состоит из магнитопровода 1, якоря 2, притягивающегося при подаче напряжения на ЭК к стопу 3, пружины 4, прижимающей сферический затвор 5 к седлу с уплотнением 6. Сферический затвор 5 имеет возможность поворота на оси 7. Клапан имеет выходной канал 8, упор 9 для фиксации положения сферического затвора 5. Входной канал 10, канал 11 в якоре 2, канал 12 в сферическом затворе 5 и выходной канал 8 в открытом положении клапана образуют прямолинейный гидравлический тракт постоянного сечения. Клапан управляется подачей электрического сигнала на обмотку электромагнита 13.

Клапан работает следующим образом. При подаче электрического сигнала на обмотку электромагнита 13 в магнитной цепи магнитопровода 1 создается магнитный поток, направление которого определяется по правилу "буравчика" и зависит от направления электрического тока, протекающего по обмотке. При этом на подвижный якорь 2 независимо от направления магнитного потока воздействует сила притяжения к стопу 3, равная

где
B_р - индукция в рабочем зазоре,
S_п - площадь полосы электромагнита,
μ_o - магнитная проницаемость вакуума.

При движении якоря 2 к стопу 3 сжимается пружина 4, прижимающая сферический затвор 5 к уплотнению 6 седла.

Усилия пружины достаточно для обеспечения герметичности запорной пары и фиксации сферического затвора в положении "открыто" или "закрыто" силами трения.

Сферический затвор выполнен из намагниченного материала таким образом, чтобы его постоянное поляризующее магнитное поле (N-S) было расположено под углом к рабочему магнитному полю (N₁-S₁) (см. фиг. 3, 4, 5, 6).

В притянутом положении якоря 2 к стопу 3 сферический затвор 5, закрепленный на якоре 2 при помощи оси 7, разгружается от удерживающих сил трения и ориентируется по направлению рабочего магнитного поля, открывая выходной канал 8. Затвор поворачивается на заданный угол, определяемый положением упора 9 и поверхности, которая фиксирует это положение.

После поворота сферического затвора 5 электрический сигнал снимается с обмотки электромагнита 13 и якорь 2 под действием пружины 4 возвращается в исходное положение, прижимая сферический затвор к уплотнению седла 6 и фиксируя его положение за счет сил трения.

При этом канал 12 в затворе совмещается с каналом 11 в якоре 2 и выходным каналом 8 в седле, обеспечивая протекание рабочего тела через клапан. Обмотка электромагнита 13 остается обесточенной на протяжении всего времени открытого положения запорной пары ЭК.

Для закрытия клапана необходимо подать на обмотку электромагнита 13 напряжение с противоположной полярностью. При этом якорь 2 вновь притянется к стопу 3, сферический затвор 5 разгрузится от сил трения и повернется согласно новому направлению магнитного поля в обратном направлении, перекрыв выходной канал 8, после чего напряжение снимается с обмотки ЭК, якорь 2 под действием пружины 4 возвращается в исходное положение, фиксируя сферический затвор 5 в положении "закрыто" и герметизируя запорную пару.

Таким образом, ЭК потребляет энергию только в моменты включения и выключения, что позволяет значительно миниатюризировать конструкцию электромагнита за счет его форсирования, т.е. повышения плотности тока в обмотке катушки, не создавая ее перегрева при длительном включении.

Кроме того, в предложенной конструктивной схеме ЭК потребное значение хода якоря очень мало (порядка 0,05 мм), т.к. оно необходимо не для обеспечения гидравлических характеристик через запорную пару, как в известных клапанах, а для разгружения сферического затвора от сил трения с материалом уплотнения 6 и определяется величиной его упругого промятия.

Малое значение хода якоря позволяет уменьшить потери намагничивающей силы электромагнита на преодоление воздушного зазора, что ведет к возможности миниатюризовать конструкцию электромагнита и повысить динамику срабатывания клапана.

Применение сферического затвора с отверстием для протока рабочего тела позволяет организовать в предлагаемом ЭК прямолинейный гидравлический тракт с постоянной площадью проходного сечения, что значительно уменьшает гидравлические потери.

Источники информации
1. Щучинский С.Х. "Клапаны с элекромагнитным приводом". Справочное пособие. - М. :Энергоатомиздат, 1988. - 152 с.

2. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям (Под ред. М.О.Штейнберга. - М.: Машиностроение, 1992, - 672 с.

3. Родштейн Л.А. "Электрические аппараты" Л.Энергоиздат. Ленинградское отделение, 1981.

Изобретение предназначено для использования в пневмо- и гидросистемах. Электромагнитный клапан состоит из корпуса с входным и выходными каналами, седла, электромагнита с подпружиненным прямоходовым якорем. Якорь снабжен отверстием для протока рабочего тела и сферическим затвором, взаимодействующим с седлом. При этом сферический затвор выполнен из намагниченного материала, включен в магнитную цепь электромагнита и закреплен на якоре с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной оси якоря. В теле затвора выполнен канал, совпадающий в одном из крайних положений затвора с выходным каналом. Изобретение позволяет значительно миниатюризировать конструкцию электромагнита, повысить динамику срабатывания клапана, значительно уменьшить гидравлические потери. 6 ил.

Электромагнитный клапан, состоящий из корпуса с входным и выходным каналами, седла, электромагнита с подпружиненным прямоходовым якорем, отличающийся тем, что якорь снабжен отверстием для протока рабочего тела и сферическим затвором, взаимодействующим с седлом, при этом сферический затвор выполнен из намагниченного материала, включен в магнитную цепь электромагнита и закреплен на якоре с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной оси якоря, а в теле затвора выполнен канал, совпадающий в одном из крайних положений затвора с выходным каналом.