ЭЛЕКТРОМАГНИТ

Предлагаемая полезная модель относится к электроаппаратостроению, а именно к электромагнитам с постоянными магнитами, применяемым, в частности, в автоматических выключателях для управления механизмом свободного расцепления.
Известны электромагниты с втягивающимся якорем, имеющие в своем составе постоянные магниты см. [1-8]. Особенностью электромагнитов с постоянными магнитами являются повышенное начальное усилие, повышенная чувствительность к управляющему сигналу, и как следствие повышенное быстродействие. Объясняется это постоянным присутствием в электромагните магнитного поля постоянного магнита и использованием поля катушки только для его усиления (при совпадении магнитных потоков катушки и постоянного магнита) или ослабления (при противоположных направлениях магнитных потоков) в зависимости от решаемой электромагнитом задачи. Изменение направления магнитного потока катушки достигается изменением направления управляющего тока. Благодаря своим свойствам электромагниты с постоянными магнитами нашли широкое применение в различных электротехнических устройствах (реле, выключателях, контакторах и других автоматических устройствах и системах дистанционного управления). Такие электромагниты состоят из неподвижного магнитопровода в виде цилиндрического [1-4] или П-образного корпуса [5-7] с крышкой (фланцем) и цилиндрической втулкой внутри корпуса, и подвижного магнитопровода в виде цилиндрического якоря, проходящего через отверстия крышки (фланца), цилиндрической втулки и катушки. Наружный конец цилиндрического якоря используется для воздействия на ведомый механизм. Кольцевые постоянные магниты, имеющие намагниченность, направленную по радиусу катушки, помещаются между стенками корпуса и цилиндрической втулки см. рисунки к патентам [1, 2, 4] и имеют, как правило, свои нестандартные размеры. Иногда предлагается кольцевой магнит заменять набором отдельных прямоугольных магнитов подходящих для радиального зазора между цилиндрическими стенками корпуса и кольцеобразной втулки [4]. Общим недостатком конструкций указанных электромагнитов является ограничение в применении постоянных магнитов других геометрических форм, что ограничивает возможности оперативных замен постоянных магнитов на более прогрессивные, но имеющие другую форму, размеры и материал без существенных изменений конструкции. Аналогичные проблемы возникают и при смене поставщика постоянных магнитов по технико-экономическим соображениям или прекращении производства применяемого типа магнита. Также затруднено модифицирование таких конструкций электромагнитов под новые технические параметры, что снижает уровень унификации и стандартизации изделий модифицированного ряда. Постоянные магниты могут иметь также форму параллелепипедов [5, 7], которые при П-образном корпусе могут быть размещены только по двум сторонам, что ограничивает возможности увеличения начального усилия при модифицировании изделия под увеличенные значения начального усилия. Кроме того, конструкциям с П-образными магнитопроводами присущи несколько увеличенные потери основного магнитного потока, создаваемого катушкой из-за полей рассеяния через ее открытые боковые поверхности. Существуют также конструкции электромагнитов, в которых постоянные магниты вмонтированы в подвижную часть магнитопровода [8] или помещены вовнутрь сердечника под плоский конец якоря [3]. Такие конструкции рассчитаны только на определенную конфигурацию постоянного магнита и ограничены в выборе других типов магнитов.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по технической сути является электромагнит, приведенный в описании к патенту на изобретение [2]. Прототип представляет собой сдвоенный электромагнит с постоянными магнитами, но принципиально устроен аналогично заявляемой конструкции. Прототип имеет наружную неподвижную часть магнитопровода, состоящую из цилиндрического корпуса и соединенных с ним крышек с центральными отверстиями и кольцеобразной втулки, расположенной коаксиально внутри корпуса. Подвижная часть магнитопровода выполнена в виде цилиндрического подпружиненного якоря, закрепленного на штоке, с возможностью возвратно-поступательного движения внутри крышек, кольцеобразной втулки и катушек. Кольцеобразный постоянный магнит закреплен между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и наружной поверхностью кольцеобразной втулки. Через шток якорь электромагнита связан с ведомым механизмом объекта и приводится в движение подачей тока в катушки управления определенной полярности и в определенной последовательности. Для изготовления прототипа необходимо заказывать постоянный магнит по специальным размерам, что экономически не всегда выгодно, особенно при мелкосерийном выпуске изделий, в которых применяется магнит. Недостатком прототипа является ограниченная возможность в применение других типов постоянных магнитов массового производства, стандартных дисковых, пластинчатых кольцеобразных, прямоугольных и пр. Ограничен прототип и в плане разработки других исполнений электромагнита на другие усилия. Для таких исполнений снова необходимо заказывать электромагниты по специальным размерам. Такие ограничения прототипа связаны с выбранной пространственной компоновкой конструкции электромагнита.
На преодоление указанных недостатков направлена конструкция заявляемой полезной модели. Технический результат, достигаемый предлагаемой полезной моделью, заключается:
- в расширении номенклатуры применяемых постоянных магнитов по форме, размерам и материалам из стандартного ряда этих изделий, присутствующих на рынке, без принципиальных изменений конструкции, что позволяет снизить производственные затраты изготовителя на доработки при заменах покупных изделий;
- в снижении трудоемкости проектных работ при создании модификаций изделия под новые параметры за счет повышения уровня унификации и стандартизации изделий модифицированного ряда.
n
Поставленная цель достигается тем, что в электромагните с постоянными магнитами, содержащем наружную неподвижную часть магнитопровода, состоящую из корпуса, соединенной с ним крышки, имеющей центральное отверстие, и кольцеобразной втулки, расположенной внутри корпуса соосно центральному отверстию, подвижную часть, состоящую из цилиндрического двухступенчатого якоря, с плоским внутренним торцем со стороны ступени большего диаметра и резьбовым стержнем с резьбовой втулкой на внешнем конце якоря, смонтированного с возможностью перемещения в осевом направлении внутри кольцеобразной втулки и крышки, а также содержащем катушку, помещенную вовнутрь корпуса коаксиально с якорем одним торцем к корпусу, а вторым торцем к кольцеобразной втулке, постоянные магниты, встроенные между боковыми поверхностями корпуса и кольцеобразной втулки, цилиндрическую пружину, размещенную снаружи корпуса, его корпус выполнен в виде правильной -угольной призмы с четным количеством граней, а боковая поверхность кольцеобразной втулки огранена сегментными лысками в количестве равном количеству граней корпуса и параллельными противолежащим граням корпуса. Причем поверхность каждой лыски отдалена от внутренней поверхности грани корпуса на расстояние не меньше толщины пластинчатого постоянного магнита, а постоянные магниты с намагниченностью в направлении их толщины смонтированы на лысках и зафиксированы в корпусе с помощью немагнитных распорных элементов. При этом катушка электромагнита выполнена с выступающей за ее торец удлиненной центральной гильзой, имеющей длину выступающей части не более высоты кольцевой втулки и наружный диаметр не более внутреннего диаметра кольцеобразной втулки. Цилиндрический якорь помещен подвижно вовнутрь гильзы, а кольцеобразная втулка сцентрирована по наружной поверхности гильзы. Кроме этого, резьбовой конец якоря оснащен рифленой снаружи защитно-упорной крышкой, закрепленной на торце якоря с помощью резьбовой втулки, а на крышке корпуса соосно центральному отверстию установлена направляющая втулка с наружным и внутренним ободом. Во внутренний обод встроена цилиндрическая пружина таким образом, что ее концы заневолены между внутренними торцами защитно-упорной крышки и направляющей втулки.
n
n/2
Выполнение корпуса электромагнита в виде правильной -угольной призмы с четным количеством граней и огранение боковой поверхности кольцеобразной втулки сегментными лысками в количестве равном количеству граней корпуса и параллельными противолежащим граням корпуса позволяет разместить по периметру кольцеобразной втулки  пар постоянных стандартных магнитов пластинчатого типа, выпускаемых массово многими изготовителями. Отдаление поверхности каждой лыски от внутренней поверхности грани корпуса на расстояние не меньше приемлемой толщины пластинчатого постоянного магнита с намагниченностью в направлении их толщины разрешает в дальнейшем применение магнитов меньшей толщины, но из материалов обладающих большей коэрцитивной силой. Образующиеся зазоры между магнитом и поверхностью лыски (или внутренней гранью корпуса) при необходимости могут заполняться пластинчатыми прокладками. Наличие немагнитных распорных элементов позволяет надежно и однозначно фиксировать постоянные магниты в корпусе при сборке электромагнита. Выполнение катушки электромагнита с выступающей за ее торец удлиненной центральной гильзой, имеющей длину выступающей части не более высоты кольцеобразной втулки и наружный диаметр не более внутреннего диаметра этой втулки обеспечивает легкое центрирование кольцеобразной втулки по одной наружной посадочной поверхности гильзы (независимо от посадочных поверхностей подвижного якоря) и простое модифицирование этой втулки под магниты большей толщины (только один переменный размер - глубина лыски). Для того, чтобы при модифицировании электромагнита можно было менять пружину на другую, с другим рабочим усилием, резьбовой конец якоря оснащен съемной защитно-упорной крышкой, между торцем которой и торцем направляющей втулки заневоливается пружина. Направляющая втулка выполнена с наружным и внутренним ободом. Внутренний обод выполняет роль направляющей для пружины.
Предлагаемая полезная модель может использоваться при серийном производстве в составе низковольтных автоматических выключателей на различные номинальные токи, как малогабаритный быстродействующий электромагнит, воздействующий на рейку механизма свободного расцепления выключателя. Благодаря предложенной конструкции в электромагните могут применяться различные пластинчатые постоянные магниты массового производства. Модель при разработке исполнений может легко модифицироваться под требуемые усилия воздействия на ведомый механизм выбором количества и типа постоянных магнитов массового производства и подбором рабочей пружины на заданное усилие из нормализованного ряда, действующего в отрасли стандарта.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что заявитель не обнаружил прототип, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной полезной модели. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленной конструкции, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «новизна».
Конструкция заявляемой полезной модели изображена на фиг. 1-11. На фиг. 1-4 изображены соответственно общий вид электромагнита, вид спереди с половинным разрезом А-А до центральной оси, вид сбоку Б и вид сверху В. Фиг. 5 представляет собой то же сечение А-А, но показывает положение деталей электромагнита в исходном состоянии, которое обеспечивается при взведении механизма свободного расцепления автоматического выключателя в положение готовности к отключению. На фиг. 6 дан разрез Г-Г, проходящий через оси симметрии постоянных магнитов перпендикулярно центральной оси электромагнита (положение секущей плоскости см. на фиг. 2). Фиг. 7 изображает внутреннее размещение дисковых постоянных магнитов на лысках кольцевой втулки при условно не показанном корпусе, крышке и наружных втулках с рабочей пружиной. Фиг. 8-11 повторяют фиг. 7 и показывают возможности предложенной модели в части применения постоянных пластинчатых магнитов различной формы, размеров, и изготовленных из различных материалов. Фиг. 8 показывает применение плоских кольцевых магнитов, фиг. 9 - магнитов в виде плоских квадратных пластин, фиг. 10 - в виде составного магнита из двух прямоугольных, фиг. 11 - применение тонкого дискового магнита из материала с большей коэрцитивной силой совместно с магнитомягкой прокладкой.
n
n
t
t
Электромагнит с постоянными магнитами (см. фиг. 1 - фиг. 4) содержит наружную неподвижную часть магнитопровода, состоящую из корпуса 1, выполненного в виде правильной -угольной призмы с четным количеством граней (для приведенного конкретного исполнения =4), соединенной с ним крышки 2, имеющей центральное отверстие 3, и кольцеобразной втулки 4, расположенной внутри корпуса соосно центральному отверстию 3. Подвижная часть магнитопровода состоит из цилиндрического двухступенчатого якоря 5, с плоским внутренним торцем 6 со стороны ступени большего диаметра и резьбовым стержнем 7 с резьбовой втулкой 8 на внешнем конце якоря. Якорь 5 смонтирован с возможностью перемещения в осевом направлении внутри кольцеобразной крышки 2, втулки 4 и катушки 9. Осевое перемещения якоря 5 ограничено вниз упором плоского торца 6 в дно 10 корпуса 1 (см. фиг. 5), а вверх - упором заплечика 11 в крышку 2 (см. фиг. 2). Катушка 9 помещена вовнутрь корпуса 1 коаксиально с якорем 5 одним торцем ко дну 10 корпуса 1, вторым торцем к кольцеобразной втулке 4. Катушка 9 выполнена с выступающей за ее торец удлиненной центральной гильзой 12, имеющей длину выступающей части не более высоты кольцеобразной втулки 4 и наружный диаметр не более внутреннего диаметра кольцеобразной втулки. Высота самой кольцеобразной втулки 4 выбирается не менее линейного размера планируемых к применению постоянных магнитов. Внутренний диаметр гильзы 12 выбран не меньше наружного диаметра якоря 5 и обеспечивает ходовую посадку якоря по единой посадочной поверхности - внутренней поверхности гильзы. Изготовление гильзы 12 из антифрикционной пластмассы (капролон, фторопласт) также позволяет уменьшить износ трущихся поверхностей якоря 5. Наружная поверхность гильзы 12 также является единственной для центрирования кольцеобразной втулки 4, что способствует технологичности сборки электромагнита, исключает зависимость от других диаметральных сборочных поверхностей. Удлиненная гильза 12 катушки 9 обеспечивает точное центрирование магнитной системы электромагнита, постоянство немагнитного зазора, устранение односторонних сил магнитного тяжения между якорем и деталями сердечника, что в конечном итоге способствует стабильной работе электромагнита. Кольцеобразная втулка 4 снаружи огранена сегментными лысками 13 (см. фиг. 6). Их количество соответствует количеству граней корпуса. Каждая лыска 13 выполняется так, чтобы она была удалена от внутренней поверхности 14 противолежащей грани корпуса 1 на расстояние не менее толщины  применяемых ферритовых постоянных магнитов 15 с приемлемыми техническими характеристиками. Магниты 15 устанавливаются на лысках 13 кольцеобразной втулки 4 и симметрируются относительно плоскости симметрии электромагнита с помощью распорных элементов 16 и 17, выполненных из немагнитных материалов. На фиг. 7 показан общий вид на установленные постоянные магниты 15, имеющие дисковую форму с фиксирующим элементом 17. На фиг. 7 корпус 1 с крышкой 2 условно не показан. Также не показаны детали, смонтированные снаружи корпуса над крышкой электромагнита. Движение якоря 5 вверх обеспечивает рабочая пружина 18 (см. фиг. 2 и фиг. 5), которая установлена между внутренними торцами направляющей втулки 19 и защитно-упорной втулки 20. Направляющая втулка 19 установлена на крышке 2 соосно центральному отверстию 3. Защитно-упорная втулка 20 закреплена на резьбовом конце 7 якоря 5 с помощью резьбовой втулки 8 и защищает пружину от проникновения вовнутрь посторонних предметов. Резьбовая втулка 8 впрессована в защитно-упорную втулку 20, которая снаружи для удобства сборки снабжена рифлением 21. Направление для пружины 18 при ее сжатии создает внутренний обод 22 втулки 19, а наружный обод 23 предохраняет подвижную втулку 20 от случайных боковых механических воздействий. Рабочая пружина 18 передает свое усилие на расцепляющий механизм автоматического выключателя (на чертежах механизм не показан) через втулку 20 и резьбовую втулку 8. Постоянные магниты 15, применяемые в данной конструкции электромагнита могут быть и другой формы, например плоскими кольцевыми 24, (см. фиг. 8), плоскими квадратными 25, (см. фиг. 9), в виде набора из двух прямоугольных 26 (см. фиг. 10). Также могут применяться магниты подходящей формы из других материалов с улучшенными магнитными свойствами. Меньшая толщина более мощных дисковых магнитов 27 дополняется до толщины  регулировочными прокладками 28 из магнитомягкого материала (см. фиг. 11).
δ
N
δ
S
δ
N
S
n
n
Работает предложенный электромагнит с постоянными магнитами следующим образом. При взведении механизма свободного расцепления автоматического выключателя (на чертежах не показан) в положение «готов к отключению» якорь 5 под воздействием усилия со стороны выключателя, которое прикладывается к торцу резьбовой гайки 8, движется своим плоским концом 6 в направлении ко дну 10, уменьшая воздушный зазор  (см. фиг. 2). При этом вступают в действие магнитные поля магнитов 15, силовые линии которых замыкаются в контуре «магнит 15 полюс  - сердечник 1 - воздушный зазор  - тело якоря 5 - боковая поверхность кольцеобразной втулки 4 - полюс  магнита 15». При некотором значении воздушного зазора  суммарное усилие поля постоянных магнитов становится больше усилия рабочей пружины и якорь своим плоским концом 6 притягивается ко дну 10 сердечника 1 (см. фиг. 5). В таком положении электромагнит готов к выполнению своей основной функции, приведению в действие механизма свободного расцепления автоматического выключателя. При поступлении кратковременного управляющего тока в катушку 9 соответствующей величины и полярности, который создает в катушке магнитный поток противоположный по направлению суммарному потоку постоянных магнитов 15, происходит мгновенное ослабление магнитного потока от постоянных магнитов. Якорь 5 под действием рабочей пружины 18 с одной стороны и под действием магнитных сил нарастающего магнитного поля уже в контуре «магнит 15 полюс  - сердечник 1 - крышка 2 - тело якоря 5 - боковая поверхность кольцеобразной втулки 4 - полюс  магнита 15» резко перемещается вверх и торцем втулки 8 воздействует на механизм свободного расцепления, который производит автоматическое размыкание контактов выключателя. Предложенная конструкция электромагнита, благодаря корпусу 1 в виде правильной -угольной призмы и ограненной лысками в количестве равном  кольцеобразной втулке 4, позволяет, в отличие от прототипа, применять постоянные магниты различной формы более широкой номенклатуры из стандартного ряда массово производимых типоразмеров и их комбинаций, а именно:
t
- дисковых 15, фиг. 7, в т.ч. составных из нескольких в пределах толщины ;
t
- кольцевых 24, фиг. 8, в т.ч. составных из нескольких в пределах толщины ;
t
- пластинчатых квадратных 25, фиг. 9, в т.ч. составных из нескольких в пределах толщины ;
- прямоугольных 26, фиг. 10, в виде набора по ширине лыски;
- других приемлемых форм, вписывающихся в пространство между гранью 14 корпуса 1 и лыской 13 втулки 4 и удовлетворяющих заданным усилиям.
При этом предоставляются расширенные возможности в выборе магнитов из различных материалов из ряда:
- недорогих ферритовых (керамических ферритобариевых и ферритостронциевых) общего применения для температур эксплуатации не ниже -20°C;
- дорогих самарий-кобальтовых с повышенной коэрцитивной силой и предназначенных для эксплуатации при повышенных температурах до +350°C;
- неодимовых на основе сплавов неодим-железо-бор с диапазоном рабочих температур от -60 до +150-220°C.
- «железокобальтовых» на основе сплава «железо-хром-кобальт», как более стойких к механическим воздействиям, к размагничиванию и высоким температурам, чем керамические и неодимовые;
- перспективных наноструктурных, магнитотвердых на основе FeCrCo-сплавов с улучшенными характеристиками.
Расширенные возможности появляются в связи с тем, что магниты из различных материалов, в том числе из новых, для конкурентного продвижения их на рынке, изготавливаются, прежде всего, в виде стандартных форм (диски, плоские кольца, прямоугольные пластины, стержни), как наиболее применяемых в бытовых и других устройствах массового производства. Конструкция предложенной модели как раз и ориентирована на эти стандартные формы постоянных магнитов.
Таким образом достигается первая цель заявленной модели: расширение номенклатуры применяемых постоянных магнитов по форме, размерам и материалам без принципиальных изменений конструкции, что позволяет снизить производственные затраты изготовителя на доработки электромагнита при заменах постоянных магнитов по технико-экономическим причинам.
Для разработки модификаций (исполнений) электромагнита в пределах одного габарита предусмотрены:
1) съемная защитно-упорная крышка 20 с вмонтированной в нее резьбовой втулкой 8, которые обеспечивают легкость замены одной стандартной рабочей пружины 18 на другую стандартную для увеличения или уменьшения рабочего усилия электромагнита;
t
2) ограненная лысками 13 кольцеобразная втулка 4, с возможностью ее модифицирования под размер , т.е. под магниты различной приемлемой толщины, как в сторону увеличения, так и уменьшения размера (для уменьшения могут применяться магнитомягкие прокладки 28, см. фиг. 11);
3) катушка 9, работающая в кратковременном, почти импульсном режиме, имеющая достаточную перегрузочную способность по управляющему току и не требующая в пределах одного габарита изменения ее намоточных данных.
Для разработки модификаций (исполнений) электромагнита других габаритов для больших рабочих усилий предусмотрены:
а) исполнение корпуса 1 с увеличенным количеством граней, (например, с 6-ью или 8-ью гранями) и соответственно исполнение кольцеобразной втулки 4 с увеличенным количеством лысок 13;
б) базовое решение сопряжения кольцеобразной втулки 4 и якоря 8 посредством удлиненной гильзы 12 катушки 8, обеспечивающее постоянство и повторяемость во всех исполнениях электромагнита точного центрирования магнитной системы электромагнита со стабильным немагнитным зазором, с устранением односторонних сил магнитного тяжения между якорем 5 и деталями сердечника, с уменьшением износа трущихся поверхностей якоря 5 и гильзы 12 за счет выбора материала гильзы с низкими значениями коэффициента трения по металлу.
Предложенные меры для разработки исполнений электромагнита с постоянными магнитами в пределах одного габарита и исполнений новых габаритов позволяют снизить трудоемкость проектных работ и их продолжительность, повысить показатели уровня унификации и стандартизации модифицированных изделий.
n
Таким образом, выполнение электромагнита с постоянными магнитами в заявляемом виде с новыми конструктивными элементами, а именно с корпусом в виде правильной -угольной призмы с четным количеством граней, с кольцеобразной втулкой, ограненной сегментными лысками в количестве равном количеству граней корпуса, с катушкой с выступающей за ее торец удлиненной центральной гильзой, с распорными элементами, с защитно-упорной крышкой и направляющей втулкой и размещение этих конструктивных элементов в описанной взаимосвязи и взаимном расположении с остальными деталями электромагнита, позволили достичь в предлагаемой модели декларируемого технического результата.
Описанная конструкция полезной модели и описание ее работы свидетельствуют о соответствии заявленной полезной модели следующей совокупности условий:
- устройство, воплощающее заявленную модель, при его осуществлении предназначено для использования в автоматических выключателях и относится к электроаппаратостроению, а именно к электромагнитам с постоянными магнитами;
- для заявленной конструкции в том виде, как она охарактеризована в изложенной формуле полезной модели, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных в заявке средств;
- устройство, воплощающее заявленную полезную модель, при осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Опытные образцы заявляемого электромагнита были изготовлены и испытаны с положительными результатами в составе автоматических выключателей на большие токи.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».
Источники, принятые во внимание:
1. Описание к патенту на изобретение RU 2233496 H01F 7/16 опубл. 27.07.2004.
2. Описание к патенту на изобретение RU 2242816 H01F 7/16 опубл. 20.12.2004.
3. Описание к патенту на изобретение RU 2306626 H01F 7/12 опубл. 10.02.2011.
4. Описание к патенту на полезную модель RU 121642 H01F 7/16 опубл. 27.10.2012.
5. Описание к патенту US 4509026 (A) H01F 7/16 02.04.1985.
6. Описание к патенту US 4644311 (A) H01F 7/13 17.02.1987.
7. Описание к патенту US 4730175 (A) H01F 7/08 08.03.1988.
8. Описание к патенту US 5949315 (A) Н01Н 51/22 07.09.1999.