ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТ С ПАССИВНЫМ УДЕРЖАНИЕМ ШТОКА Российский патент 2017 года по МПК H02K33/06 H02K33/16 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромагнитным устройствам для промышленных, бытовых, технических объектов в качестве элемента в системах управления.

Известен электродинамический привод клапанов двигателей внутреннего сгорания, содержащий магнитомягкий магнитопровод, внутри которого размещены подпружиненный якорь, постоянный магнит и обмотка управления. На торце магнитомягкого сердечника со стороны, обращенной в сторону якоря, установлен постоянный магнит (патент РФ №2140034).

Недостатком данного технического решения является низкий уровень электромагнитного усилия при срабатывании, что значительно увеличивает время срабатывания электромагнита. Этому способствует и наличие магнитно-индукционного демпфера.

Наиболее близким аналогом является быстродействующий поляризованный электромагнит броневого типа с независимыми потоками поляризации (RU 2242816 С2, H01F 7/16), содержащий соосно расположенные обмотки управления (катушки управления), кольцеобразные постоянные магниты, магнитомягкие стопы (магнитомягкие вставки) и шток, выполненный из немагнитного материала с закрепленным на нем кольцеобразным якорем, находящиеся внутри цилиндрических частей магнитомягких магнитопроводов между немагнитными фланцами, являющихся частью корпуса электромагнита.

Недостатком известного быстродействующего поляризованного магнита является невозможность фиксации штока в крайних положениях с созданием значительных усилий без затрат электроэнергии, а также невозможность создания динамического усилия (усилия, перемещающего шток в одно из крайних положений).

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является возможность фиксации штока в одном из крайних положений с заданным усилием удержания без затрат электрической энергии.

Сущность изобретения состоит в том, что в поляризованном электромагните с пассивным удержанием штока, содержащем соосно расположенные катушки управления, кольцеобразные постоянные магниты, магнитомягкие вставки и шток, выполненный из немагнитного материала с закрепленным на нем кольцеобразным якорем, находящиеся внутри цилиндрических частей магнитомягких магнитопроводов между немагнитными фланцами, предложено по меньшей мере одну катушку управления и магнитомягкие вставки магнитопровода закрепить на внутренней части магнитомягких магнитопроводов, якорь выполнить из кольцеобразных постоянных магнитов с аксиальным направлением намагничивания и магнитомягких вставок якоря, причем постоянных магнитов установить по меньшей мере на один больше, чем катушек управления, а шток установить с возможностью свободного перемещения через отверстие в немагнитном фланце. Кроме того, предложено длину магнитомягкой вставки якоря и постоянного магнита выполнить примерно равной сумме расстояния между магнитомягкими вставками магнитопровода и длины магнитомягкой вставки магнитопровода, магнитомягкие вставки якоря расположить между постоянными магнитами, магнитомягкие вставки магнитопровода расположить с торцов и между катушек управления и постоянные магниты расположить одноименными полюсами друг к другу.

Выполнение якоря из кольцеобразных постоянных магнитов с аксиальным направлением намагничивания и магнитомягких вставок якоря, и закрепление по меньшей мере одной катушки управления и магнитомягких вставок магнитопровода на внутренней части магнитомягких магнитопроводов позволяет получать заданные статическое и динамическое усилия при перемещении штока.

Выполнение длины магнитомягкой вставки якоря и постоянного магнита примерно равной сумме расстояния между магнитомягкими вставками магнитопровода и длины магнитомягкой вставки магнитопровода позволяет задавать величину хода штока. От указанной длины зависит величина хода штока и требуемое усилие удержания в крайних положениях.

Расположение магнитомягких вставок якоря между постоянными магнитами, а магнитомягких вставок магнитопровода с торцов и между катушками управления позволяет сконцентрировать магнитный поток в зазоре между магнитомягкими вставками якоря и магнитопровода.

Установка постоянных магнитов по меньшей мере на один больше, чем катушек управления позволяет получить максимальное статическое усилие в крайних положениях штока.

Расположение постоянных магнитов одноименными полюсами друг к другу позволяет получить максимальное динамическое усилие при перемещении штока.

Поляризованный электромагнит с пассивным удержанием штока приведен на фиг. 1 и включает закрепленный на штоке 1 якорь, состоящий из кольцеобразных постоянных магнитов 2 и магнитомягких вставок якоря 3, соосно ему расположенные кольцеобразные катушки управления 4 и магнитомягкие вставки магнитопровода 5 и закрепленные на внутренней цилиндрической части магнитомягких магнитопроводов 6 между немагнитными фланцами 7. Шток 1 проходит через один из немагнитных фланцев 7. Длина магнитомягкой вставки якоря 3 и постоянного магнита 2 (а) примерно равна сумме расстояния между магнитомягкими вставками магнитопровода и длины магнитомягкой вставки магнитопровода 5 (b).

На фиг. 2 приведен график удержания штока с помощью постоянных магнитов 2.

Работа устройства заключается в следующем. На катушки управления 4 подаются короткие импульсы тока (длительность импульсов менее 1 с), тем самым системой из катушек управления 4 и магнитомягких вставок магнитопровода 5 создается рабочий магнитный поток, который при взаимодействии с поляризующим потоком, созданным системой из магнитомягких вставок якоря 3, размещенных между постоянными магнитами 2, устремляет шток 1 из одного крайнего положения в другое. При отключении тока в катушках управления 4 шток 1 фиксируется в одном из крайних положений (начальном δ1 или конечном δ2) и удерживается за счет притяжения магнитомягких вставок якоря 3 к магнитомягким вставкам магнитопровода 5. Удержание (фиксация) штока 1 происходит за счет поляризующего магнитного потока. Для возврата штока 1 в другое крайнее положение необходимо подать импульс тока противоположной полярности на катушки управления 4, т.е. направление хода штока 1 зависит от полярности напряжения, подаваемого на катушки управления 4. Таким образом, в системе производятся равнозначные действия, и не требуется дополнительных затрат энергии для запуска и остановки действия системы.

Задача повышения надежности поляризованного электромагнита решается созданием потенциального барьера, что поясняется фиг. 2, где:

F - статическое усилие;

F_треб. - требуемое усилие удержания;

δ - ход штока 1;

δ₁, δ₂ - крайние положения штока 1.

При нахождении штока 1 в крайнем положении (например, δ₁), требуемое значение усилия удержания не является максимальным и имеет запас (потенциальный барьер), позволяющий говорить о том, что усилие удержания больше усилия срыва, т.е. о повышении надежности системы по сравнению с ближайшим аналогом.

Использование предлагаемого устройства позволяет фиксировать (удерживать) шток электромагнита в одном из крайних положений с заданным усилием удержания без затрат электрической энергии, потреблять малое количество электроэнергии на перемещение штока из одного крайнего положения в другое.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромагнитным устройствам в качестве элемента в системах управления. Технический результат состоит в обеспечении возможность фиксации штока в одном из крайних положений с заданным усилием удержания без затрат электрической энергии. Поляризованный электромагнит содержит соосно расположенные катушки управления, кольцеобразные постоянные магниты, магнитомягкие вставки. По меньшей мере одна катушка управления и магнитомягкие вставки магнитопровода закреплены на внутренней части магнитопроводов. Якорь выполнен из кольцеобразных постоянных магнитов с аксиальным намагничиванием, количество которых, по меньшей мере, на один больше, чем катушек управления с аксиальным намагничиванием. Шток установлен с возможностью свободного перемещения через отверстие в немагнитном фланце. Длина магнитомягкой вставки якоря и постоянного магнита выполнены примерно равной сумме расстояния между магнитомягкими вставками магнитопровода и длины магнитомягкой вставки магнитопровода. Магнитомягкие вставки якоря расположены между постоянными магнитами. Магнитомягкие вставки магнитопровода расположены с торцов между катушками управления. Пстоянные магниты расположены одноименными полюсами друг к другу. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Поляризованный электромагнит с пассивным удержанием штока, содержащий соосно расположенные катушки управления, кольцеобразные постоянные магниты, магнитомягкие вставки и шток, выполненный из немагнитного материала с закрепленным на нем кольцеобразным якорем, находящиеся внутри цилиндрических частей магнитомягких магнитопроводов между немагнитными фланцами, отличающийся тем, что по меньшей мере одна катушка управления и магнитомягкие вставки магнитопровода закреплены на внутренней части магнитомягких магнитопроводов, якорь содержит кольцеобразные постоянные магниты с аксиальным направлением намагничивания и магнитомягкие вставки якоря, причем количество постоянных магнитов по меньшей мере на один больше, чем количество катушек управления, а шток установлен с возможностью свободного перемещения через отверстие в немагнитном фланце.

2. Поляризованный электромагнит с пассивным удержанием штока по п. 1, отличающийся тем, что длина магнитомягкой вставки якоря и постоянного магнита примерно равна сумме расстояния между магнитомягкими вставками магнитопровода и длины магнитомягкой вставки магнитопровода.

3. Поляризованный электромагнит с пассивным удержанием штока по п. 1, отличающийся тем, что магнитомягкие вставки якоря расположены между постоянными магнитами.

4. Поляризованный электромагнит с пассивным удержанием штока по п. 1, отличающийся тем, что магнитомягкие вставки магнитопровода расположены с торцов и между катушкоми управления.

5. Поляризованный электромагнит с пассивным удержанием штока по п. 1, отличающийся тем, что постоянные магниты расположены одноименными полюсами друг к другу.