ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН Российский патент 2002 года по МПК F16K31/02 

Изобретение относится к области арматуростроения, в частности к электромагнитным клапанам, и может быть использовано для управления подачей рабочего тела в пневматических и гидравлических системах.

Известен электромагнитный клапан, содержащий корпус, внутри которого размещен электромагнит, включающий обмотку, внутренний и наружный магнитопроводы, между которыми с одной из торцевых сторон электромагнита образован немагнитный зазор, причем со стороны зазора в клапанной полости размещен тарельчатый якорь, в центре которого размещен клапан, плоский упругий элемент, седло, входной и выходной патрубки [1 ]. Принцип действия такого электромагнитного клапана основан на открытии отверстия в седле вследствие перемещении якоря к электромагниту, который при своем движении захватывает клапан и отодвигает его от седла. Движение якоря происходит под действием сил притяжения, возбуждаемых магнитным потоком, возникающим в обмотке электромагнита. Закрытие отверстия в седле происходит после снятия напряжения с электромагнита, в результате чего силы притяжения снижаются и якорь под действием силы предварительно сжатой пружины устремляется к седлу, перекрывая его.

К недостаткам такого электромагнитного клапана относится низкая механическая стойкость к внешним механическим нагрузкам, особенно при воздействии нагрузок в поперечном направлении движения тарельчатого якоря, из-за отсутствия опоры якоря на боковые стенки клапана и значительных крутящих моментах, возникающих от инерционных сил, действующих на тарельчатый якорь. В результате этого такой электромагнитный клапан будет иметь низкую надежность из-за потери герметичности в результате раскрытия соединения уплотнительных поверхностей клапана и седла.

Известен электромагнитный клапан, принятый за прототип, содержащий электромагнит с центральным отверстием, включающий обмотку, окруженную составным магнитопроводом, клапанный узел, размещенный в отверстии электромагнита и содержащий трубчатый корпус, в котором размещен неподвижный сердечник, которому противолежит цилиндрический якорь, внутри которого размещен клапан, прижатый через упор упругим элементом к седлу, клапанную полость, входной и выходной патрубки [2].

Указанный для аналога недостаток устранен в конструкции известного электромагнитного клапана с втяжным якорем. Такой клапан имеет повышенный запас механической прочности в результате размещения якоря в центральном отверстии сердечника без зазора с достаточно протяженной зоной их сопряжения, исключая тем самым его радиальные перемещения относительно направления движения якоря.

Однако конструкция известного электромагнитного клапана имеет следующие недостатки. Низкие динамические характеристики, в частности времена открытия и закрытия клапана, из-за большой массы подвижного цилиндрического якоря вследствие его большого продольного размера. Размещение клапанной полости, входного и выходного патрубков с одной из сторон электромагнита приводит к увеличению габаритов электромагнитного клапана в целом. Кроме того, такой электромагнитный клапан обладает низкой надежностью из-за возможного нарушения герметичности клапанной пары (клапан-седло), что связано с появлением двойных пересекающихся отпечатков в клапане от седла при вращении самого клапана относительно собственной оси.

Целью изобретения является повышение динамических характеристик электромагнитного клапана, запасов механической прочности и его надежности, а также снижение массы и габаритов.

Это достигается тем, что в электромагнитном клапане, содержащим электромагнит с центральным отверстием, включающий обмотку, окруженную по периметру составным магнитопроводом, клапанный узел, размещенный в отверстии электромагнита и содержащий трубчатый корпус, состоящий из входного и выходного магнитопроводов, соединенных между собой немагнитной втулкой, которые другими своими концами соединены соответственно с входным и выходным патрубками, клапанную полость в которой размещен клапан, прижатый через упор упругим элементом к седлу, и кольцеобразный якорь, согласно изобретению на выходном патрубке в продольном направлении выполнен цилиндрический выступ, на котором размещено седло, причем между цилиндрическим выступом и корпусом образован радиальный зазор, в котором размещен кольцеобразный якорь, причем выступ с седлом охвачен последним, внутри входного магнитопровода между седлом и входным патрубком размещен цилиндрический стакан с торцевой стенкой, выполненный из магнитомягкого материала, торцевая стенка снабжена каналами прохода рабочего тела и центральным отверстием, в котором размещен клапан, выступающий за торцевую стенку к седлу на величину рабочего зазора.

При этом между частью цилиндрического стакана со стороны торцевой стенки и входным магнитопроводом может быть образован зазор, причем каналы для прохода рабочего тела выполнены в стакане в зоне образованного зазора.

Кроме того, между якорем и выходным патрубком может быть размещен дополнительный упругий элемент с усилием меньше усилия упругого элемента поджатия клапана к седлу.

При этом контактирующие поверхности якоря и стакана могут быть выполнены конусообразной формы.

Кроме того, между упругим элементом и входным патрубком может быть размещена, по меньшей мере, одна настроечная шайба.

Центральное отверстие в торцевой стенке цилиндрического стакана выполнено таким образом, что его ось размещена эксцентрично относительно оси электромагнитного клапана.

Снижение массы подвижных элементов электромагнитного клапана за счет расположения клапанной полости в средней части клапанного узла, который, в свою очередь, размещен в отверстии электромагнита, позволяет повысить его динамические характеристики. Дополнительное повышение динамических характеристик электромагнитного клапана достигается за счет придания магнитному полюсу со стороны торца стакана четко выраженной геометрии при помощи введения локального зазора между входным магнитопроводом и торцом стакана, выполненного из магнитомягкого материала. Также указанная цель достигается увеличением тягового усилия электромагнита за счет увеличения площадей контактирующих поверхностей магнитных полюсов, с одной стороны, на подвижном якоре и, с другой стороны, на торце неподвижного стакана путем выполнения их конусообразной формы.

Кроме того, стабилизация повышенных динамических характеристик достигается за счет стабилизации положения подвижного кольцеобразного якоря, охватывающего цилиндрический выступ с седлом, вблизи клапана при помощи силы сжатия дополнительного упругого элемента, действующей в направлении поджатия якоря к клапану. При этом сила поджатия дополнительного упругого элемента выбрана таким образом, что она меньше противодействующего усилия упругого элемента поджатия клапана к седлу, но при этом больше силы инерции подвижного якоря. Такое исполнение электромагнитного клапана также позволяет снизить износ контактирующих поверхностей подвижного цилиндрического якоря и неподвижного выходного патрубка вследствие исключения их соударений при работе, особенно при движении якоря от электромагнита. При этом движение якоря будет заторможенным за счет эффекта демпфирования дополнительным упругим элементом, усилие которого меньше усилия противодействующего упругого элемента, обеспечивающего герметичное поджатие клапана к седлу. Это, в свою очередь, позволит повысить срок службы электромагнитного клапана в целом.

Задача повышения компактности электромагнитного клапана решена за счет размещения клапанного узла и клапанной полости в средней части отверстия электромагнита, коаксиального размещения кольцеобразного якоря так, что он охватывает цилиндрический выступ с седлом, а также приближения седла к торцу стакана до величины рабочего хода якоря.

Задача повышения запасов механической прочности конструкции решена за счет скользящего соприкосновения подвижного кольцеобразного якоря с цилиндрическими поверхностями неподвижных элементов, а именно: с внешней стороны со стенкой магнитопровода или с внутренней стороны с цилиндрическим выступом. При этом протяженность участков сопряжения цилиндрических поверхностей выбрана из условия обеспечения достаточной площади контакта для исключения эффекта заклинивания при скольжении в подвижных парах.

Изготовительский допуск величины усилия упругого элемента компенсируется в процессе настройки клапана при помощи пакета настроечных шайб различной толщины. При этом достигается высокая повторяемость стабильных динамических характеристик в различных образцах электромагнитного клапана при его серийном производстве.

Повышение надежности герметичного функционирования клапанной пары (клапан-седло) электромагнитного клапана решена за счет фиксации клапана от вращения вокруг собственной оси при помощи образования точки контакта между упором и клапаном со смещением относительно оси клапана. Это исключает появление двух и более взаимно пересекающихся отпечатков от седла на клапане при его вращении, которые часто являются причиной потери герметичности клапанной пары.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 изображен продольный разрез электромагнитного клапана.

На фиг. 2 изображен выносной элемент А в увеличенном масштабе варианта исполнения электромагнитного клапана.

На фиг. 3 изображен выносной элемент А в увеличенном масштабе варианта исполнения электромагнитного клапана.

На фиг. 4 изображен выносной элемент А в увеличенном масштабе варианта исполнения электромагнитного клапана.

На фиг. 5 изображен выносной элемент А в увеличенном масштабе варианта исполнения электромагнитного клапана с расположением клапана со смещением относительно оси.

Электромагнитный клапан содержит электромагнит 1 с центральным отверстием 2, включающий обмотку 3, окруженную по периметру составным магнитопроводом 4. Клапанный узел размещен в отверстии электромагнита 2 и имеет трубчатый корпус 5, состоящий из входного 6 и выходного 7 магнитопроводов, соединенных между собой немагнитной втулкой 8. Другими своими концами магнитопроводы 6 и 7 соединены соответственно с входным 9 и выходным 10 патрубками, при помощи которых электромагнитный клапан соединяется с входной и выходной магистралями рабочего тела. Внутри клапанного узла располагается клапанная полость 11, в которой размещен клапан 12, прижатый через упор 13 упругим элементом 14 к седлу 15. Со стороны клапанной полости 11 выходной патрубок 10 содержит цилиндрический выступ 17, на котором размещено седло 15. Между цилиндрическим выступом 17 и корпусом 5 имеется радиальный зазор, в котором размещен кольцеобразный якорь 16, причем выступ 17 с седлом 15 охвачен последним. Внутри входного магнитопровода 6 между седлом 15 и входным патрубком 9 размещен цилиндрический стакан 18 с торцевой стенкой 19, выполненный из магнитомягкого материала. Торцевая стенка 19 снабжена каналами прохода рабочего тела 20 и центральным отверстием 21, в котором размещен клапан 12, выступающий за торцевую стенку 19 к седлу 15 на величину, по меньшей мере, рабочего хода кольцеобразного якоря.

В другом варианте исполнения электромагнитного клапана между частью цилиндрического стакана 22 со стороны торцевой стенки и входным магнитопроводом образован зазор 23, причем каналы для прохода рабочего тела 24 выполнены в стакане в зоне образованного зазора.

Для другого исполнения между якорем и выходным патрубком может быть размещен дополнительный упругий элемент 25.

Кроме того, контактирующая поверхность 26 якоря 16 и контактирующая поверхность 27 стакана 18 могут быть выполнены конусообразной формы.

Между упругим элементом 14 и входным патрубком 9 может быть установлена настроечная шайба 28.

В другом варианте исполнения центральное отверстие 21 с клапаном 12 размещены в торцевой стенке 19 со смещением от геометрической оси самого электромагнитного клапана.

Электромагнитный клапан работает следующим образом. В обесточенном состоянии электромагнита клапан перекрывает проход рабочего тела. При подаче напряжения на обмотку 3 кольцеобразный якорь 16 под действием сил притяжения электромагнита 1 перемещается к торцу 19 стакана 18, выполненного из магнитомягкого материала. Магнитный поток преимущественно распространяется в магнитном контуре, образованном составным магнитопроводом 4, входным 6 и выходным 7 магнитопроводами, далее проходит через стакан 18 и замыкается через кольцеобразный якорь 16. В процессе своего движения вдоль охватываемого цилиндрического выступа 17 якорь 16 захватывает клапан 12 и отводит его от седла 15, открывая при этом его проходное отверстие и пропуская рабочее тело. Рабочее тело из входного патрубка через полость в стакане 18 и отверстия 20 попадает в клапанную полость 11, откуда далее проникает в отверстие седла 15 и выходит через выходной патрубок 10 в последующую магистраль. В притянутом к электромагниту состоянии якорь через упор 13 максимально сжимает упругий элемент 14. После снятия напряжения с обмотки 3 электромагнита 1 происходит обратное движение якоря 16 под воздействием силы предварительно сжатого упругого элемента 14.

Таким образом, электромагнитный клапан, выполненный согласно изобретению, позволяет создать клапан с улучшенными динамическими характеристиками и повышенной надежностью.

Кроме того, электромагнитный клапан, выполненный согласно изобретению, будет обладать повышенной вибропрочностью при повышенных внешних механических воздействиях и лучшей компактностью по сравнению с известными клапанами.

Источники информации
1. Патент ФРГ 3801035, кл. 5 F 16 K 31/02, F 15 B 13/043.

2. Патент РФ 2018758, кл. 5 F 16 K 31/02 - прототип.

Электромагнитный клапан предназначен для управления подачей рабочего тела в пневматических и гидравлических системах. Электромагнитный клапан содержит электромагнит с центральным отверстием, включающий обмотку, окруженную по периметру составным магнитопроводом. Клапанный узел размещен в отверстии электромагнита и имеет трубчатый корпус, состоящий из входного и выходного магнитопроводов, соединенных между собой немагнитной втулкой. Другими своими концами магнитопроводы соединены соответственно с входным и выходным патрубками. Внутри клапанного узла располагается клапанная полость, в которой размещен клапан. Клапан прижат через упор упругим элементом к седлу. На входном патрубке в продольном направлении выполнен цилиндрический выступ, на котором размещено седло. Между цилиндрическим выступом и корпусом образован радиальный зазор. В нем размещен кольцеобразный якорь, причем выступ с седлом охвачен последним. Внутри входного магнитопровода между седлом и входным патрубком размещен стакан с торцевой стенкой, выполненный из магнитомягкого материала. Торцевая стенка снабжена каналами прохода рабочего тела и центральным отверстием. В отверстии размещен клапан, выступающий за торцевую стенку к седлу на величину, по меньшей мере, рабочего хода якоря. Изобретение позволяет повысить динамические характеристики, запасы механической прочности и надежности устройства, а также снизить его габариты и массу. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Электромагнитный клапан, содержащий электромагнит с центральным отверстием, включающий обмотку, окруженную по периметру составным магнитопроводом, клапанный узел, размещенный в отверстии электромагнита и содержащий трубчатый корпус, состоящий из входного и выходного магнитопроводов, соединенных между собой немагнитной втулкой, которые другими своими концами соединены соответственно с входным и выходным патрубками, клапанную полость, в которой размещен клапан, прижатый через упор упругим элементом к седлу, и кольцеобразный якорь, отличающийся тем, что на входном патрубке в продольном направлении выполнен цилиндрический выступ, на котором размещено седло, причем между цилиндрическим выступом и корпусом образован радиальный зазор, в котором размещен кольцеобразный якорь, причем выступ с седлом охвачен последним, внутри входного магнитопровода между седлом и входным патрубком размещен стакан с торцевой стенкой, выполненный из магнитомягкого материала, торцевая стенка снабжена каналами прохода рабочего тела и центральным отверстием, в котором размещен клапан, выступающий за торцевую стенку к седлу на величину, по меньшей мере, рабочего хода якоря. 2. Электромагнитный клапан по п. 1, отличающийся тем, что между частью цилиндрического стакана со стороны торцевой стенки и входным магнитопроводом образован зазор, причем каналы для прохода рабочего тела выполнены в стакане в зоне образованного зазора. 3. Электромагнитный клапан по п. 1, отличающийся тем, что между якорем и выходным патрубком размещен дополнительный упругий элемент с усилием меньше усилия упругого элемента поджатия клапана к седлу. 4. Электромагнитный клапан по п. 1, отличающийся тем, что контактирующие поверхности якоря и стакана выполнены конусообразной формы.