электромагнит

Формула изобретения

Электромагнит постоянного тока, содержащий ферромагнитный корпус, цилиндрическую гильзу, ферромагнитный якорь, перемещающийся в гильзе, ферромагнитный фланец, размещенный в корпусе и гильзе, отличающийся тем, что ферромагнитная цилиндрическая гильза разделена на две части трапецеидальным немагнитным кольцом, на рабочем торце якоря выполнен кольцевой трапецеидальный буртик, предназначенный для взаимодействия с канавкой соответствующего профиля на фланце и с гильзой, на боковой поверхности якоря со стороны рабочего зазора выполнена фаска или выточка, а каркас под катушку образован гильзой, фланцем и шайбой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к приводным прямоходовым цилиндрическим электромагнитам, преимущественно для гидравлических управляющих устройств типа гидрораспределителей и клапанов.

Известен электромагнит, содержащий магнитопровод с катушкой, фланец, сердечник, якорь и немагнитную гильзу. Сердечник с насаженной на него немагнитной гильзой вставляется в магнитопровод, внутри гильзы перемещается якорь. Сверху гильза закрывается фланцем. При подаче напряжения на катушку якорь притягивается к сердечнику и с помощью толкателя воздействует на управляющий элемент [1].

К недостаткам данного электромагнита следует отнести малое начальное усилие и недостаточное усилие в середине и в конце хода, что может привести к несрабатыванию гидрораспределителя и ограничивает максимальную величину хода золотников гидрораспределителей.

Известен также электромагнит аналогичного класса [2], содержащий катушку, намотанную на полиамидный каркас, надетую на немагнитную цилиндрическую гильзу, в которой перемещается якорь. Катушка с гильзой размещены в ферромагнитном корпусе, в гильзу вставляется также ферромагнитный фланец (стоп), который одновременно своей широкой частью вставляется в корпус.

При протекании тока магнитное поле катушки замыкается через корпус, якорь, воздушный рабочий зазор и фланец, при этом величина усилия определяется осевой составляющей магнитного поля, исходящего из якоря к фланцу.

Недостатком электромагнита является значительная потребляемая мощность (около 33 Вт), что снижает его экономичность, усложняет условия применения и при большом тепловом сопротивлении "катушка-корпус" приводит к значительному перегреву катушки.

Кроме того, для повышения надежности и уменьшения времени срабатывания гидрораспределителей, желательно иметь более высокое значение усилия при ходе 2,5 мм.

Технической задачей, которая решается заявляемым изобретением, является увеличение усилия электромагнита в начале и в середине хода при одновременном снижении потребляемой мощности и величины перегрева обмотки, т.е. повышение удельного тягового усилия.

Технический результат решения данной задачи выразится в повышении надежности, например, гидрораспределителей, при одновременном снижении энергопотребления.

Указанная техническая задача решается за счет того, что в заявляемом электромагните постоянного тока, содержащем ферромагнитные корпус, цилиндрическую гильзу, якорь, перемещающийся в гильзе, фланец, размещенный в корпусе и гильзе, ферромагнитная цилиндрическая гильза разделена на две части трапецеидальным немагнитным кольцом, на рабочем торце якоря выполнен кольцевой трапецеидальный буртик, предназначенный для взаимодействия с канавкой соответствующего профиля на фланце и с гильзой, на боковой поверхности якоря, со стороны рабочего зазора, имеется фаска или выточка, а каркас под катушку образован фланцем, гильзой и шайбой.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый электромагнит отличается от прототипа конструкцией гильзы, якоря, фланца и исполнением катушки. Таким образом, заявляемый электромагнит соответствует критерию изобретения "новизна".

Сущность заявляемого технического решения состоит:

- во взаимодействии якоря не только с фланцем, но и с гильзой, причем взаимодействие с гильзой происходит как с торцевой цилиндрической частью якоря, так и с трапецеидальным буртиком якоря;

- в уменьшении внутреннего магнитного сопротивления катушки за счет расположения части витков катушки в непосредственной близости от ферромагнитных частей магнитопровода;

- в уменьшении потерь магнитодвижущей силы при нагреве катушки от протекающего тока за счет более высокой теплоотдачи;

- в получении большей величины магнитодвижущей силы в рабочем зазоре на значительном ходе якоря.

Для цилиндрических электромагнитов усилие якоря определяется величиной продольного магнитного потока, исходящего из якоря. Фиг. 2 поясняет образование нескольких составляющих продольного магнитного потока, исходящих из якоря.

Как видно из фиг. 2, геометрия якоря, фланца и гильзы, определяющая продольную составляющую магнитного потока, исходящую из якоря, позволяет получить значительную величину начального усилия.

В соответствии с законом Ома для магнитных цепей магнитный поток в магнитной системе определяется по формуле:

,

где

- магнитный поток;

I_w -магнитодвижущая (намагничивающая) сила обмотки;

R_м - полное магнитное сопротивление цепи.

Приближенно R_м= R+R_ст+R_вн, , где R - магнитное сопротивление рабочего зазора; R_ст - магнитное сопротивление стали (для большей части тяговой характеристики, за исключением нескольких десятых миллиметра в конце хода, можно считать R_ст = 0); R_вн - внутреннее магнитное сопротивление катушка - магнитопровод.

Из формулы для магнитного потока следует:

.

Отсюда следует, что уменьшение составляющей (Iw)_внутр при Iw=const приводит к увеличению (Iw) .

В результате обеспечивается существенное изменение тяговой характеристики электромагнита, а именно: значительное повышение тяговых усилий в начале и в середине хода якоря.

На фиг. 1 изображен продольный разрез заявляемого электромагнита; на фиг. 2 показано качественное распределение магнитного поля рабочего зазора в исходном состоянии якоря; на фиг. 3 - упрощенная эквивалентная электрическая схема магнитной цепи; на фиг. 4 - два случая расположения витков относительно магнитопровода, поясняющие физику образования внутреннего магнитного сопротивления катушки.

Электромагнит (фиг. 1) состоит из ферромагнитного корпуса 1, ферромагнитного фланца 2, цилиндрической гильзы 3, ферромагнитного якоря 4, перемещающегося в гильзе и опирающегося в выключенном состоянии на немагнитный упор 5. Ферромагнитные части гильзы 3 разделены трапецеидальным немагнитным кольцом 6 (латунная или иная вплавка). На якоре выполнен кольцевой трапецеидальный буртик 7, а на фланце 2 - канавка 8 соответствующего профиля. Катушка 9 намотана на каркас, образованный гильзой 3, фланцем 2 и шайбой 10, и изолируется от металлических частей каркаса тонким слоем изоляционного лака с небольшим тепловым сопротивлением. Кроме того, на боковой поверхности якоря выполнена фаска 11.

При подаче на катушку 9 постоянного напряжения катушка создает магнитодвижущуюся силу Iw, величина которой, в основном, определяется сечением выбранного провода. При этом в электромагните создается магнитное поле, охватывающее катушку, замыкание которого осуществляется по контуру: корпус 1 - левая часть гильзы 3 - якорь 4 - фланец 2 и правая часть гильзы 3 - корпус 1.

Как известно, (Л1) величина усилия электромагнита определяется по формуле:

,

где

(Iw) - величина М.Д.С. рабочего зазора,

- производная изменения магнитной проводимости по координате хода, т. е. усилие пропорционально квадрату М.Д.С. рабочего зазора при прочих равных условиях.

Фиг. 4 поясняет физику образования магнитного сопротивления виток - магнитопровод, при этом очевидно, что различные витки катушки имеют существенно различные магнитные сопротивления. Аналитически (Л1) для различного расположения витков величину магнитного сопротивления проводник - магнитопровод в случае, если магнитопровод является плоскостью, а проводник ей параллелен, можно оценить по формуле:

,

где

G - магнитная проводимость ;

h - расстояние от центра витка до плоскости;

d_экв - эквивалентный диаметр проводника:

L -длина проводника;

K_м - поправочный коэффициент, определяемый по графику (Л1), зависящий от соотношения L/d_экв.

Данной формулой можно воспользоваться для приближенной оценки внутреннего магнитного сопротивления R_ВН.

Расчеты показывают, что для первого слоя проводников в катушке магнитная проводимость проводник - магнитопровод выше приблизительно в 2 раза по сравнению со средним значением; второго слоя - в 1,5 раза и т.д.

Существенное уменьшение магнитного сопротивления имеет место для первого, второго и третьего слоев, а в целом для катушки в 12 - 15 слоев намотка на ферромагнитный каркас приводит к уменьшению магнитного сопротивления примерно на 15%. Ориентировочно на столько же может быть уменьшено падение величины Iw_внутр при средних и больших ходах якоря, где значительным становится величина магнитного потока электромагнита и, соответственно, падение МДС на внутреннем магнитном сопротивлении. В соответствии с формулой силы, усилие от уменьшения падения (Iw)_внутр может быть увеличено, примерно, в 1,3 раза.

Одновременно с выигрышем в величине (Iw) вариант намотки провода на ферромагнитный каркас с небольшим слоем изоляции приводит к существенному уменьшению теплового сопротивления катушка - магнитопровод и перегрева катушки, а следовательно, к уменьшению потерь (Iw) от прогрева катушки.

На начальном участке хода якоря составляющие электромагнитной силы формируются взаимодействием якоря с гильзой и якоря с фланцем, а на конечном участке - якоря с фланцем. Причем сохранение усилия на конечном участке обеспечивается сочетанием увеличения dG/d и сохранения значительной величины (Iw) за счет более низкого магнитного сопротивления R_ВН. Кроме того, сохранение величины (Iw) достигается конструктивными решениями введения фаски на якоре и выполнением немагнитного кольцевого зазора на гильзе с острым углом < 45^o, что приводит к уменьшению радиального потока от якоря к гильзе в рабочем зазоре и, соответственно, общего потока, а следовательно, к уменьшению падения МДС на внутреннем магнитном сопротивлении электромагнита.

Изготовленные в соответствии с заявляемым изобретением электромагниты показали высокие удельные тяговые характеристики.