ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН Российский патент 2004 года по МПК F16K31/06 

Изобретение относится к устройствам трубопроводной арматуры и может найти применение в клапанах с дистанционным управлением.

Известны электромагнитные клапаны с дистанционным управлением [1-3], содержащие корпус, электромагнит, состоящий из катушки, магнитопровода и якоря, являющегося приводом запорного устройства и пружины, прижимающей запорное устройство к седлу при отсутствии тока в катушке электромагнита. Основным недостатком таких клапанов является большое потребление электроэнергии при открывании клапана, поскольку для поддержания открытого состояния клапана катушка электромагнита должна находиться во включенном состоянии. Для уменьшения потребляемой энергии приходится идти на существенное усложнение конструкции клапана, позволяющее либо частично использовать для этих целей давление самого рабочего тела в магистрали [3], либо применять механические защелки, управляемые дополнительным электромагнитом [4]. Более радикальным способом экономии электроэнергии является использование в конструкции таких клапанов постоянных магнитов [5-8]. Наличие постоянного магнита в магнитной цепи управляющего электромагнита позволяет удерживать якорь электромагнита и связанный с ним запирающий орган в том или ином положении без затрат электрической энергии. Ток подается в катушку электромагнита в виде импульса, необходимого для перебрасывания якоря из одного состояния в другое. В стационарном же состоянии клапана (в открытом или закрытом) ток в катушке электромагнита отсутствует, и электрическая энергия не потребляется. Общим недостатком конструкций [5, 6] является трудность регулировки и нестабильность работы. Это определяется, с одной стороны, отсутствием регулировок, а с другой, нестабильностью важнейших характеристик, влияющих на работу клапана, таких как давление рабочего тела в регулируемой магистрали, намагниченность постоянного магнита, магнитное сопротивление магнитопровода (которое существенно зависит от температуры). Из-за этого может изменяться распределение магнитных потоков от постоянного магнита и обмотки, а также усилия, действующие на якорь электромагнита и на запирающий орган, от которых и зависит правильная работа электромагнитного клапана. Для устранения этих недостатков в [7] предложена конструкция, в которой предусмотрены регулировочные элементы в виде подвижного стопа, регулируемых упоров и двух пружин. Однако это сильно усложнило конструкцию клапана и процедуру его регулировки. Поэтому в качестве прототипа выбрана конструкция [8], которая, сохраняя конструктивную простоту клапанов [5] и [6], обеспечивает более надежную и стабильную работу за счет наличия двух независимых управляющих обмоток. Кроме того, он обладает важным для клапанов с дистанционным управлением достоинством - наличием дистанционного сигнализатора состояния клапана в виде магнитоуправляемого контакта, срабатывающего при открывании клапана.

Основными недостатками прототипа являются необходимость использования весьма мощных управляющих импульсов тока, а значит, и больших габаритов катушек электромагнита, что приводит к большим габаритам всей конструкции электромагнитного клапана по сравнению с условным проходным отверстием регулируемой магистрали, а также неудобство его врезки в магистраль (конструкция клапана требует в месте врезки электромагнитного клапана в магистраль ее изгиба под прямым углом). Кроме того, ввиду значительной длины обеих параллельных магнитных цепей, по которым замыкается магнитный поток постоянного магнита, и противоположным направлением сил, развиваемых этими ветвями магнитного потока и прикладываемых к якорю электромагнита, для надежного удержания якоря в каждом из возможных положений сам постоянный магнит приходится делать весьма мощным, что также увеличивает габариты всей конструкции и стоимость электромагнитного клапана.

Техническими задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются уменьшение необходимой мощности управляющих импульсов тока, снижение необходимой массы постоянного магнита при одновременном уменьшении габаритов и стоимости всей конструкции электромагнитного клапана и упрощении его установки на магистраль.

Решение этих задач обеспечивается тем, что используется конструкция, соосная управляемой магистрали, которая состоит из цилиндрического корпуса из ферромагнитного материала, в котором жестко закреплены входная и выходная втулки, также изготовленные из ферромагнитного материала, причем обе втулки и цилиндрический корпус расположены соосно с управляемой магистралью, на втулках размещены управляющие обмотки, которые соединены последовательно, образуя две секции единой управляющей обмотки, а между ними размещен золотник, выполненный из немагнитного материала, с укрепленными на его торцах двумя радиально намагниченными постоянными магнитами, причем секции управляющей обмотки соединены между собой таким образом, чтобы при определенной полярности управляющего тока магнитный поток одной секции был направлен согласно магнитному потоку прилежащего к этой секции постоянного магнита, в то время как магнитный поток второй секции направлен против магнитного потока прилежащего к ней постоянного магнита.

Устройство электромагнитного клапана показано на фиг.1. Электромагнитный клапан состоит из входной 1 и выходной 2 втулок из ферромагнитного материала, закрепленных в цилиндрическом корпусе 3 также из ферромагнитного материала, расположенных соосно с управляемой магистралью, размещенного между втулками золотника 4 из немагнитного материала (пластмассы или алюминиевого сплава), а на торцах золотника 4 жестко укреплены радиально намагниченные постоянные магниты 5 и 6, между наружными цилиндрическими поверхностями которых и внутренней поверхностью цилиндрического корпуса обеспечивается воздушный зазор, предотвращающий залипание постоянных магнитов с корпусом. На торцевые поверхности постоянных магнитов наклеены уплотняющие шайбы (показаны на фиг.1 жирными линиями), служащие для уплотнения запирания клапана, а также предотвращающие залипание постоянных магнитов с торцевыми поверхностями втулок 1 и 2. На втулках 1 и 2 размещены секции 7 и 8 управляющей обмотки, соединенные последовательно таким образом, чтобы при одной полярности тока магнитный поток, создаваемый секцией 7, был направлен согласно магнитному полю постоянного магнита 5, а магнитный поток секции 8 - встречно магнитному потоку постоянного магнита 6. При изменении полярности управляющего импульса тока направления магнитных потоков, создаваемых этими секциями, обратны описываемым. Поверх цилиндрического корпуса надевается пластмассовый бандаж 9, в котором установлен магнитоуправляемый контакт 10, включаемый полем рассеяния постоянного магнита 6, когда последний находится напротив магнитоуправляемого контакта, что имеет место при открытом клапане (положение, изображенное на фиг.1). На фиг.2 отдельно показана конструкция золотника 4.

Электромагнитный клапан работает следующим образом. Пусть исходным будет состояние, показанное на фиг.1. Управляющая обмотка обесточена. Золотник 4 находится в крайнем левом положении и удерживается в нем силой притяжения постоянного магнита 5 к входной втулке 1. Между постоянным магнитом 6 и торцом выходной втулки 2 имеется значительный воздушный зазор. Поэтому магнитный поток в этом зазоре мал и развиваемого им усилия недостаточно для перемещения золотника в крайнее правое положение. Клапан открыт, и поток газа (или жидкости), проходя через сквозное отверстие в постоянном магните 5 и золотнике 4, обтекает через кольцевой зазор постоянный магнит 6 с уплотняющей прокладкой и свободно выходит через сквозное отверстие выходной втулки 2.

При этом магнитоуправляемый контакт 10 находится напротив постоянного магнита 6 и под действием его потоков рассеяния, проходящих сквозь стенку корпуса 3, замыкается, сигнализируя о том, что клапан находится в открытом состоянии.

Для переключения клапана в закрытое состояние через обе секции 7 и 8 управляющей обмотки пропускается управляющий импульс тока такой полярности, при которой магнитное поле секции 7 направлено против поля постоянного магнита 5, что приводит к их взаимному отталкиванию, а магнитное поле секции 8 направлено согласно магнитному полю постоянного магнита 6, в результате чего сила притяжения между магнитом 6 и выходной втулкой 2 возрастает. Под действием суммы этих сил золотник 4 перемещается в крайнее правое положение и перекрывает отверстие в торце выходной втулки 2. После прекращения импульса тока золотник 4 остается в крайнем правом положении под действием силы притяжения постоянного магнита 6, которая в данном случае становится максимальной, т.к. немагнитный зазор между этим магнитом и торцом выходной втулки 2 становится минимальным. Надежному запиранию электромагнитного клапана способствует и давление рабочего тела (газа и жидкости), создающего дополнительное усилие прижатия постоянного магнита 6 к торцу выходной втулки 2. При этом постоянный магнит 6 удаляется от места расположения магнитоуправляемого контакта 10, и последний размыкается, сигнализируя о закрытом состоянии электромагнитного клапана.

Для обратного переключения электромагнитного клапана необходимо через управляющую обмотку пропустить управляющий импульс обратной полярности. При этом магнитный поток секции 7 будет направлен согласно магнитному потоку постоянного магнита 5, а магнитный поток секции 8 - встречно магнитному потоку постоянного магнита 6. В итоге на оба магнита будут действовать силы, направленные влево, под действием которых золотник 4 перемещается в крайнее левое положение и клапан открывается. После прекращения управляющего импульса тока золотник остается в крайнем левом положении под действием силы притяжения постоянного магнита 5.

По сравнению с прототипом необходимая мощность управляющих импульсов тока здесь уменьшается в несколько раз. Это определяется тем, что в прототипе управляющий импульс тока всегда пропускается только через одну из секций обмотки. При этом начальный воздушный зазор между якорем и стопом электромагнита всегда максимален, а тяговое усилие электромагнита резко падает с увеличением воздушного зазора. Поэтому, чтобы получить необходимое усилие, управляющий импульс тока должен быть весьма мощным. В предлагаемой конструкции электромагнитного клапана для тянущей секции управляющей обмотки воздушный зазор будет также максимальным, а следовательно, ее начальное усилие также будет слабым. Но с ним складывается отталкивающее усилие, действующее на противоположный постоянный магнит, которое будет максимальным, поскольку немагнитный зазор для магнитного потока соответствующей секции будет в этом случае минимален.

То же относится и к мощности используемых постоянных магнитов. В прототипе магнитный поток неподвижного постоянного магнита разделяется на две параллельные ветви, причем усилия, развиваемые этими ветвями магнитного потока, приложенные к якорю электромагнита, направлены противоположно друг другу. Какое из них будет преобладать, зависит от положения якоря (там где воздушный зазор будет минимален, магнитный поток, а следовательно, и развиваемое им усилие будут больше). Таким образом, в прототипе рабочее усилие, удерживающее якорь в том или ином положении, создается разностью двух параллельных ветвей магнитного потока постоянного магнита. В предлагаемом же решении каждый из постоянных магнитов работает по очереди (при выключенном токе влиянием противоположного постоянного магнита можно пренебречь). Кроме того, в режиме удержания постоянные магниты находятся в непосредственной близости от торца соответствующей втулки, т.е. длина магнитной цепи в этом случае минимальна и много меньше длины магнитной цепи в прототипе, а значит, для создания того же усилия удержания в предлагаемой конструкции понадобится магнит с много меньшей энергией, чем в прототипе. Таким образом, хотя в предложенном устройстве вместо одного неподвижного постоянного магнита используется два подвижных, но их суммарная масса будет много меньше массы одного магнита прототипа.

Таким образом, все поставленные задачи решены. Изготовление и лабораторные испытания экспериментального образца электромагнитного клапана предлагаемой конструкции показали его надежную работу в широком диапазоне вариации воздействующих факторов.

Литература

1. А.с. №304395. Электромагнитный жидкостный клапан / О.П.Евдокимов, Ю.К.Воронов, В.А.Стрельцов, А.И.Андросов, В.В.Алексеева, Н.Г.Леденева. Опубл. Бюл. №17, 1971.

2. А.с. №387177. Электромагнитный клапан с дублированным запорным устройством / А.П.Бойцов, Л.П.Вальтер, А.Я.Диденко и др. Опубл. Бюл. №27, 1973.

3. А.с. №1679114. Электромагнитный клапан / С.X.Шучинский, В.А.Бабушкин. Э.Б.Иванова. Опубл. Бюл. №35, 1991.

4. А.с. №310082. Электромагнитный клапан / Г.П.Дегтярев, А.С.Рончка. Опубл. Бюл. №23, 1971.

5. А.с. №359472. Электромагнитный клапан / Н.Т.Романенко, М.Т.Романенко, Ю.Ф.Никитин. Опубл. Бюл. №35, 1972.

6. А.с. №1687988. Электромагнитный клапан / В.С.Артемов. Опубл. Бюл. №40, 1991.

7. А.с. №1122857. Электромагнитный клапан / В.Я.Антоновский, Б.П.Вовк, Б.В.Кармугин, В.Л.Кисель. Опубл. Бюл. №41, 1984.

8. А.с. №379806. Электромагнитный клапан / В.Л.Кисель, Я.А.Лиховецкий, В.С.Погребинский, М.Т.Романенко. Бюл. №20, 1973.

Электромагнитный клапан предназначен для использования в устройствах трубопроводной арматуры. Электромагнитный клапан содержит входную и выходную втулки. Обе втулки и цилиндрический корпус расположены соосно с управляемой магистралью. Размещенные на втулках управляющие обмотки соединены последовательно и образуют две секции единой управляющей обмотки. На торцах выполненного из немагнитного материала золотника жестко укреплены два радиально намагниченных постоянных магнита. При определенной полярности управляющего тока магнитный поток одной секции управляющей обмотки направлен согласно магнитному потоку прилежащего к этой секции постоянного магнита. В то же время магнитный поток второй секции управляющей обмотки направлен против магнитного потока прилежащего к ней постоянного магнита. Обеспечивается уменьшение необходимой мощности управляющих импульсов тока, снижение необходимой массы постоянного магнита и упрощение его установки на магистраль. 2 ил.

Электромагнитный клапан, состоящий из цилиндрического корпуса, входной и выходной втулок, выполненных из ферромагнитного материала, на которых размещены две секции управляющей обмотки, золотника, размещенного между входной и выходной втулками, являющегося запорным органом, и сигнализатора состояния клапана в виде магнитоуправляемого контакта, отличающийся тем, что обе втулки и цилиндрический корпус расположены соосно с управляемой магистралью, размещенные на втулках управляющие обмотки соединены последовательно, образуя две секции единой управляющей обмотки, а на торцах золотника, выполненного из немагнитного материала, жестко укреплены два радиально намагниченных постоянных магнита, причем секции управляющей обмотки соединены между собой таким образом, чтобы при определенной полярности управляющего тока магнитный поток одной секции был направлен согласно магнитному потоку прилежащего к этой секции постоянного магнита, в то время как магнитный поток второй секции направлен против магнитного потока прилежащего к ней постоянного магнита.