ЭЛЕКТРОМАГНИТ Российский патент 2001 года по МПК H01F7/13 H01F7/16 H01F7/122 

Изобретение относится к магнитным системам, в частности к конструкциям и материалам магнитопровода электромагнитов, и может быть использовано, в частности, в устройствах для блокирования замков автомобилей, сейфов, дверей с целью предотвращения несанкционированного проникновения.

Устройство блокировки представляет собой электромеханическое устройство с энергонезависимой памятью. Основным элементом энергонезависимой памяти является электромагнит, приводящий в действие механическую систему.

Электромагнит традиционно представляет собой соленоид с железным магнитопроводом. Магнитопровод реле трансформаторов, электромагнитов обычно выполняют из магнитомягкого материала, набирая пакеты из штампованных листов стали.

Известно, например, устройство для предотвращения краж, включающее электромагнит, выполненный в виде нескольких полосок из магнитомягкого и магнитотвердого материала (Патент ЕП N 0577807 A1, G 08 В 13/24, H 01 F 13/00, 1994) [1].

Известно также магниторезисторное устройство, включающее электромагнит, выполненный из магнитомягкой и магнитотвердой стали, между которыми расположен слой немагнитного материала, и дополнительно - промежуточный магнитный слой, расположенный на поверхности раздела между магнитомягким слоем стали и немагнитным слоем (Патент ЕП N 0791915, A2, G 11 В 5/00, G 01 R 33/09, 1997) [2].

Известен электромагнит, содержащий катушку возбуждения, магнитопровод, собранный из отштампованных пластин электротехнической стали, и снабженный, по крайней мере, одним к. з. витком, размещенным на керне (А.с. СССР N 1436134, кл. H 01 F 3/00, 1983) [3].

В известных решениях магнитопровод может иметь различную конфигурацию: магнитопровод может быть выполнен из пластин, имеющих Ш-образную форму (А.с. СССР N 1529298, кл. 4 H 01 F 3/00, 7/06, 1987) [4] или П-образную форму (А. с. N 851503, кл. H 01 F 3/08, В 22 F 7/02, 1979) [5], в виде цилиндрической формы, изготовленной из нескольких лент (А.с. СССР N 1802878, МПК⁵ H 01 F 3/00, 1990) [6] , в виде стержня (А.с. СССР - 1041048, кл. H 01 F 23/00, 1983) [7].

Как следует из технической сущности и конструктивного выполнения технических решений, электромагниты [1, 2] по нашему мнению, не позволяют создать в блокировочном устройстве удерживающее усилие, обеспечивающее надежность закрытия замка; а электромагниты [2, 3], кроме того, являются громоздкими и требуют значительных расходов электроэнергии.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является электромагнит, состоящий из магнитопровода и катушки намагничивания [5].

Магнитопровод выполнен П-образной формы и оборудован якорем, установленным подпружиненно на одном керне, а катушка намагничивания размещена на втором керне. Причем, магнитопровод выполнен из чередующихся слоев магнитомягкого и магнитотвердого материалов и с прослойками из окиси алюминия.

Электромагнит работает следующим образом.

При подаче тока на катушку происходит намагничивание системы и притяжение якоря. При отключении тока, за счет остаточного магнитного потока в слоях магнитотвердого материала, создается магнитный поток, который удерживает якорь. Отключение якоря происходит при подаче импульса тока на отключение, приводящее к обратной поляризации магнитопровода.

Как показали наши исследования, удерживающее усилие в данном электромагните составляет около 0,2 кг.

Увеличение удерживающего усилия на порядок приводит к увеличению размера катушки приблизительно на порядок, а также к увеличению расхода электроэнергии.

Разрыв магнитопровода, т.е. отсоединение якоря от керна магнитопровода, приводит к практически полной потере удерживающего усилия в электромагните. Следовательно, конструкция не имеет магнитной памяти.

Следует отметить, что конструкция магнитопровода, выполненного из чередующихся пластин из магнитомягкого и магнитотвердого материала с прокладками между ними, не позволяет создать конструкцию электромагнита с большой магнитной памятью при приемлемых размерах, обеспечивающих его использование в реле, блокировочных устройствах и т.д.

Основным недостатком известного электромагнита является незначительное удерживающее усилие, создаваемое электромагнитом в устройстве, например, для блокирования замков, что не обеспечивает высокую надежность защиты от несанкционированного проникновения.

Таким образом, из уровня техники следует, что известные магнитные системы - электромагниты требуют усовершенствования в направлении создания электромагнитов, характеризующихся большими удерживающими усилиями при минимальных размерах, а также потребляющих незначительное количество электроэнергии для создания таких усилий.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования конструкции электромагнита для блокировки устройств путем создания замкнутой металлической конструкции магнитопровода с пространственным расположением части магнитопровода из магнитотвердого материала на участке с максимальной плотностью магнитных силовых линий, что обеспечивает запоминание удерживающего усилия. Указанный результат достигается при незначительном расходе электроэнергии и минимальных размерах электромагнита, что позволяет эффективно использовать заявляемый электромагнит в различных устройствах - реле, электромагнитных клапанах, блокировочных устройствах, магнитных пускателях и т.д.

Для решения поставленной задачи предложен электромагнит для блокировки устройства, включающий катушку намагничивания и магнитопровод, выполненный, по крайней мере, из двух частей, причем одна из частей выполнена из магнитотвердого материала, в котором, согласно изобретению, магнитопровод выполнен в виде цилиндра с дном, крышкой и стержнем, катушка намагничивания размещена внутри цилиндра коаксиально последнему, часть магнитопровода из магнитотвердого материала выполнена в виде части стержня, причем части магнитопровода, соединенные вместе, образуют замкнутую металлическую конструкцию.

При этом, часть магнитопровода, выполненная из магнитотвердого материала, расположена во внутренней полости катушки намагничивания; и размер части магнитопровода из магнитотвердого материала не превышает размер внутренней полости катушки намагничивания.

Нами установлено, что конструктивное выполнение магнитопровода из магнитомягкого материала, часть которого представлена магнитотвердым материалом, и пространственное расположение частей магнитопровода, образующее замкнутую металлическую конструкцию, с размещением магнитотвердого материала в катушке намагничивания на участке с максимальной плотностью магнитных силовых линий обеспечивает практически полное запоминание магнитного потока, что приводит к созданию больших удерживающих усилий при малых размерах и отсутствии потребления электроэнергии (кроме переключений).

Указанные конструктивные особенности электромагнита обеспечивают сохранение магнитной памяти, т.е. сохранение удерживающих усилий в условиях, когда катушка намагничивания обесточена или когда после разрыва металлической конструкции части магнитопровода (подвижная, неподвижная) вновь соединяются. Запоминаемое усилие после разрыва магнитопровода будет на 8-10% меньше удерживающего усилия. А при размагничивании системы магнитным потоком память практически полностью стирается. Достигаемый результат обеспечивается размером, объемом, массой и конструктивными особенностями устройства с магнитотвердой частью электромагнита.

Следует отметить, что в известных технических решениях /1-7/, независимо от формы магнитопровода, последний представляет собой, в основном, слоистую структуру, выполненную из чередующихся слоев, пластин магнитомягкого и магнитотвердого материала, во многих случаях разделенных прокладками, что, по нашему мнению, и препятствует созданию больших удерживающих усилий, создаваемых электромагнитом.

В предложенном электромагните магнитопровод в оптимальном варианте изготовлен монолитным. Однако, возможно его изготовление в виде пакета пластин, часть которого выполнена из магнитотвердого материала. Отсутствие чередования магнитомягкого и магнитотвердого материала при наличии указанных выше конструктивных особенностей магнитопровода и позволяет создать эффективный электромагнит со стабильной магнитной памятью, высокими удерживающими усилиями при минимальных размерах.

Это расширяет функциональные возможности предложенного электромагнита, обеспечивая его эффективное использование в уже существующих реле, магнитных пускателях, блокировочных устройствах, электромагнитных клапанах и т.д.

Таким образом, совокупность существенных признаков предложенного устройства - электромагнита, является достаточной и необходимой для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата - увеличения удерживающего усилия при его длительном сохранении при одновременном значительном уменьшении размера электромагнита и отсутствии потребления электроэнергии (кроме момента переключения).

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены схематические варианты конструкций электромагнита.

На фиг. 1 представлена схема конструкции электромагнита с основной частью магнитопровода, выполненного в виде цилиндра.

Электромагнит состоит из магнитопровода, выполненного из двух частей: цилиндра 1 с дном и Т-образной части, состоящей из стержня 2 и крышки 3 дискообразной формы, соединенных между собой.

Внутри цилиндра 1, коаксиально последнему, размещена катушка 4 намагничивания. Стержень 2 входит во внутреннюю полость катушки 4. Т-образная часть выполнена из магнитомягкого материала, а часть стержня 2 выполнена из магнитотвердого материала 5.

В качестве магнитотвердого материала используют магнитотвердые сплавы ЮНД4 - ЮНДК40Т8, 25ХК15, CoFeO₄, 22 БА 220 Sm₂Co₁₇, SmCo₅, КС25ЛЦ 150 - КС25MM12, La₂Fe₁₄ - Y₂FeB, а в качестве магнитомягкого материала используют нелегированные стали 10895, 20895; 11895, 218895; 10880, 20880; 11880, 21880; 10864, 20864; 11864, 21864; Р-10, Р-100, По.

Электромагнит работает следующим образом.

На катушку 4 намагничивания кратковременно, в течение 5-10 мс, подают напряжение. Под действием напряжения катушка генерирует (индуцирует) магнитный поток. Поток внутри катушки характеризуется максимальной плотностью и концентрацией магнитных силовых линий. Конфигурация потока параллельна оси цилиндра.

Магнитный поток, проходя по магнитопроводу (1, 2, 3), намагничивает его. При этом Т-образная часть магнитопровода крышкой 3 замыкает цилиндр 1, касаясь стержнем 2 дна цилиндра 1, создавая замкнутую металлическую конструкцию: цилиндр - крышка - стержень. Одновременно магнитный поток ориентирует диполи вдоль магнитных силовых линий магнитотвердого материала 5, обеспечивая запоминание магнитного поля и тем самым обеспечивает, практически без потерь, постоянное удерживающее усилие между подвижной и неподвижной частью электромагнита.

Снятие удерживающего усилия осуществляется одним из известных способов, например, кратковременной подачей на катушку напряжения, величина которого составляет примерно половину величины напряжения намагничивания при одновременном изменении полярности на катушке.

Изображенная на чертеже схема электромагнита обладает при меньших размерах длинноходностью классического электромагнита.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах для блокирования замков автомобилей, сейфов, дверей с целью предотвращения несанкционированного проникновения. Технический результат заключается в уменьшении потребления электроэнергии и надежности при эксплуатации. В электромагните, состоящем из катушки намагничивания и магнитопровода, магнитопровод выполнен, по крайней мере, из двух частей и хотя бы часть одной из них, расположенная во внутренней полости катушки намагничивания, выполнена из магнитотвердого материала. Изобретение предусматривает различную форму выполнения как отдельных частей, так и всего магнитопровода. 2 з. п. ф-лы. 1 ил.

1. Электромагнит для блокировки устройств, включающий катушку намагничивания и магнитопровод, выполненный, по крайней мере, из двух частей, причем одна из частей выполнена из магнитотвердого материала, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен в виде цилиндра с дном, крышкой и стержнем, катушка намагничивания размещена внутри цилиндра коаксиально последнему, часть магнитопровода из магнитотвердого материала выполнена в виде части стержня, причем части магнитопровода, соединенные вместе, образуют замкнутую металлическую конструкцию. 2. Электромагнит по п.1, отличающийся тем, что часть магнитопровода, выполненная из магнитотвердого материала, расположена во внутренней полости катушки намагничивания. 3. Электромагнит по п.1, отличающийся тем, что размер части магнитопровода из магнитотвердого материала не превышает размер внутренней полости катушки намагничивания.