Удерживающий электромагнит с внешним якорем Российский патент 2023 года по МПК H01F7/16 

Изобретение относится к области электромагнитов, в частности, к электромагнитам с зазором, которые обеспечивают удержание аппаратуры с инструментом на металлической ферромагнитной поверхности корпуса объекта, являющегося внешним якорем при наличии рабочего немагнитного зазора, в ходе выполнения мониторинга или обслуживания морских сооружений, например, буровых или газонефтедобывающих платформ, а также судов.

Известен электромагнит с втягивающимся якорем (Патент CN209133296 – Novel electromagnet with strong attraction, номер публикации 209133296, дата публикации 19.07.2019, МПК H01F 7/08, H01F 7/16, H01F 7/126, H01F 7/128).

Электромагнит содержит катушку, корпус и якорь. Корпус и якорь имеют цилиндрическую форму и в совокупности с воздушным зазором образуют магнитную цепь, через которую проходит магнитный поток катушки. Катушка расположена внутри оболочки корпуса, а якорь при срабатывании электромагнита перемещается внутри катушки в осевом направлении. При подаче питания на катушку якорь втягивается, и воздушный зазор между якорем и центральным стержнем корпуса уменьшается. При этом усилие, развиваемое якорем, изменяется от минимального (в начале движения при максимальном воздушном зазоре) до максимального в конце движения. Поверхность торцевой части якоря и сочленяемая с ней поверхность центрального стержня корпуса выполнены конической формы, что соответствует увеличенной площади взаимодействия и повышенному усилию при большом зазоре в начале движения якоря.

Недостатком этого устройства является сложность сочленения якоря электромагнита с рабочей поверхностью объекта, на которой электромагнит должен удерживаться.

Известен электромагнит с внешним притягивающимся якорем. Электромагнит содержит катушку и корпус броневой или чашечной формы, являющийся одной частью магнитопровода. Другой частью магнитопровода является внешний якорь, который в совокупности с корпусом и немагнитным зазором между ними образует замкнутую магнитную цепь. Якорем служит ферромагнитная поверхность, относительно которой электромагнит должен удерживаться с определенным рабочим зазором. (Прототип. Сливинская, А.Г. Электромагниты и постоянные магниты: учебное пособие. – Москва: Энергия, 1972 г.).

Недостатком устройства является значительное снижение усилия удерживания при увеличении немагнитного зазора, который является рабочим.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание конструкции электромагнита, обладающей повышенным удерживающим усилием при заданном рабочем немагнитном зазоре при неизменных массогабаритных показателях.

Поставленная задача достигается тем, что электромагнит с внешним якорем, содержащий катушку и корпус броневой или чашечной формы в виде оболочки и центрального стержня, на котором размещена обмотка, при этом торцевые поверхности оболочки и центрального стержня корпуса электромагнита, обращенные к немагнитному зазору и являющиеся контактными, выполнены увеличенными в виде площадок определенной ширины и толщины, причем контактная площадка центрального стержня корпуса выполнена увеличенной симметрично относительно его оси, а контактная площадка оболочки корпуса выполнена увеличенной в наружную сторону от внешних обводов оболочки, при этом ширина контактной площадки центрального стержня определяется балансом между максимальным приращением усилия за счет увеличения площади магнитного взаимодействия и шунтирующим влиянием магнитного потока рассеяния между контактной площадкой центрального стержня и оболочкой, а контактная площадка оболочки должна быть не меньше площади контактной площадки центрального стержня, причем толщины указанных контактных площадок определяются условием ограничения значения магнитной индукции в их объемах на допустимом уровне.

В заявленном удерживающем электромагните с внешним якорем общими существенными для него и для его прототипа признаками являются:

- обмотка электромагнита;

- корпус электромагнита броневой или чашечной формы, содержащей оболочку и центральный стержень, на котором размещена обмотка.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного устройства и прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующий отличительный признак: – «… торцевые поверхности оболочки и центрального стержня корпуса электромагнита, обращенные к немагнитному зазору и являющиеся контактными, выполнены увеличенными в виде площадок определенной ширины и толщины, причем контактная площадка центрального стержня корпуса выполнена увеличенной симметрично относительно его оси, а контактная площадка оболочки корпуса выполнена увеличенной в наружную сторону от внешних обводов оболочки, при этом ширина контактной площадки центрального стержня определяется балансом между максимальным приращением усилия за счет увеличения площади магнитного взаимодействия и шунтирующим влиянием магнитного потока рассеяния между контактной площадкой центрального стержня и оболочкой, а контактная площадка оболочки должна быть не меньше площади контактной площадки центрального стержня, причем толщины указанных контактных площадок определяются условием ограничения значения магнитной индукции в их объемах на допустимом уровне.

Отличительный признак предлагаемого решения обеспечивает максимальное увеличение усилия удерживания электромагнита для заданного немагнитного рабочего зазора при неизменном потреблении электроэнергии и практически неизменной его массе. На основании изложенного можно заключить, что отличительный существенный признак заявленного изобретения в совокупности с признаками, общими для него и прототипа обеспечивает достижение технического результата, т.е. имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом и решает поставленную задачу.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен чертеж электромагнита с внешним якорем, на фиг. 2 – результаты натурного эксперимента.

Удерживающий электромагнит с внешним якорем содержит обмотку 1 и корпус броневой или чашечной формы, состоящей из оболочки 2 и центрального стержня 3, на котором размещена обмотка 1. Торцевые поверхности оболочки и центрального стержня корпуса электромагнита, обращенные к немагнитному зазору, являются контактными и выполнены в виде площадок определенной ширины и толщины. Контактная площадка 4 центрального стержня 3 превышает площадь его торцевой поверхности и выполнена симметрично относительно его оси, а контактная площадка 5 оболочки 2 выполнена увеличенной относительно площади торцевой поверхности оболочки 2, причем увеличение этой площади осуществлено в наружную сторону от внешних обводов торцевой поверхности оболочки 2.

Работа удерживающего электромагнита с внешним якорем осуществляется следующим образом. При подаче питания на обмотку 1 возникает магнитный поток, который замыкается по магнитной цепи, образованной последовательно соединенными магнитными сопротивлениями оболочки 2 с контактной площадкой 5, центрального стержня 3 с контактной площадкой 4, немагнитного зазора 6 и внешнего якоря 7. При этом появляется электромагнитная сила притяжения между электромагнитом и внешним якорем. Поскольку, общем случае, усилие F притяжения электромагнита пропорционально площади S электромагнитного взаимодействия, которая для удерживающего электромагнита чашечной или броневой конструкции определяется суммарной площадью торцевых поверхностей контактных площадок центрального стержня 4 и оболочки 5:

,

где k – коэффициент, являющийся, в общем случае, нелинейным и зависящим от магнитного сопротивления элементов магнитной цепи, то применение увеличенных контактных площадок, при выполнении требования ограничения магнитной индукции в их объеме на допустимом максимальном уровне, приводит к максимальному увеличению усилия притяжения внешнего якоря 7 электромагнита при сохранении практически неизменных его энергетических показателях и массе.

Достижение поставленной цели подтверждается результатами натурного эксперимента, результаты которого приведены на фиг. 2. График 1 показывает связь между усилием электромагнита от немагнитного зазора 6 для заявленной конструкции, т. е. при увеличенных контактных площадках центрального стержня и оболочки при выполнении поставленных требований по ограничению индукции в этих площадках. Графиком 2 представлена зависимость усилия электромагнита в функции от зазора для исходной конструкции электромагнита. Как следует их анализа этих графиков, увеличение усилия за счет предложенного технического решения составляет (20 … 28) %.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромагнитам с зазором. Электромагнит содержит катушку и корпус броневой или чашечной формы в виде оболочки и центрального стержня, на котором размещена обмотка. Торцевые поверхности оболочки и центрального стержня корпуса электромагнита, обращенные к немагнитному зазору и являющиеся контактными, выполнены увеличенными в виде площадок определенной ширины и толщины. Контактная площадка центрального стержня корпуса выполнена увеличенной симметрично относительно его оси, а контактная площадка оболочки корпуса выполнена увеличенной в наружную сторону от внешних обводов оболочки. Применение увеличенных контактных площадок при выполнении требования ограничения магнитной индукции в их объеме на допустимом максимальном уровне обеспечивает максимальное увеличение усилия притяжения внешнего якоря электромагнита при сохранении его энергетических показателей и массы. 2 ил.

Электромагнит с внешним якорем, содержащий катушку и корпус броневой или чашечной формы в виде оболочки и центрального стержня, на котором размещена обмотка, при этом торцевые поверхности оболочки и центрального стержня корпуса электромагнита, обращенные к немагнитному зазору, являются контактными, отличающийся тем, что торцевые поверхности оболочки и центрального стержня корпуса электромагнита выполнены увеличенными в виде площадок определенной ширины и толщины, причем контактная площадка центрального стержня корпуса выполнена увеличенной симметрично относительно его оси, а контактная площадка оболочки корпуса выполнена увеличенной в наружную сторону от внешних обводов оболочки, при этом ширина контактной площадки центрального стержня определяется балансом между максимальным приращением усилия за счет увеличения площади магнитного взаимодействия и шунтирующим влиянием магнитного потока рассеяния между контактной площадкой центрального стержня и оболочкой, а контактная площадка оболочки должна быть не меньше площади контактной площадки центрального стержня, причем толщины указанных контактных площадок определяются условием ограничения значения магнитной индукции в их объемах на допустимом уровне.