Однокатушечный электромагнит
SINGLE COIL ELECTROMAGNET

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к однокатушечным электромагнитам с двусторонним усилием и может быть использовано в механизмах линейного перемещения, в которых к нагрузке за время включения необходимо прилагать усилия в разных направлениях.
Известен электромагнит с двусторонним усилием [а.с. 337833 СССР, МКл. H 01 F 7/13. Электромагнит // Г.Е. Ануприенко. – № 1245613/24-7; заявл. 08.06.68; опубл. 05.05.72, бюлл. № 15. – 2 с.], содержащий корпус, катушку, основной якорь и дополнительный якорь в виде подвижного стопа, закрепленного на одной оси со штоком, связанным с нагрузкой, при этом между основным и дополнительным якорем и между дополнительным якорем и корпусом образованы воздушные рабочие зазоры.
К недостаткам известного технического решения электромагнита следует отнести низкую функциональность, обусловленную тем, что направление действия силы на выходе устройства зависит от направления действия нагрузки при обесточенном электромагните, а при включенном состоянии направление действия силы на выходе устройства не мняется, что ограничивает области его применения.
Известен электромагнит постоянного тока [Патент РФ 2115184, МКл. H 01 F 7/16. Электромагнит постоянного тока // С.В. Карманов, В.В. Фокин. – № 97113437/09; заявл. 30.07.97; опубл. 10.07.98, бюлл. № 19. – 4 с.], содержащий магнитопроводящий корпус с фланцем, в которм установлена катушка с размещенными внутри нее двумя взаимосопрягаемыми якорями, отделенными от фланцев и катушки и снабженными по обе стороны тягами для связи с внешней нагрузкой.
В известном техническом решении движения якорей при включении электромагнита происходит одновременно навстречу друг другу, при этом направление действия силы, приложенной к каждой из нагрузок в процессе включения, сохраняется неизменным, что также ограничивает области использования электромагнита и снижает его функциональные возможности.
Наиболее близким по технической сущности предлагаемому изобретению является реверсивный электромагнитный привод [Патент РФ 2234789, МКл. H 02 K 33/02, H 01 F 7/06. Реверсивный электромагнитный привод с импульсным управлением // Л.С. Лобанова, Г.П. Мацупин, В.Я. Палий, В.В. Медведев – 2001132284/09; заявл. 28.11.2001; опубл. 20.08.2004, бюл. № 23. – 4 с.], содержащий катушку управления, два полых стопа, в которых размещены два подвижных сердечника, отжимаемых в свои крайние положения пружинами, якорь со штоком, связанным с нагрузкой и проходящий через отверстия в подвижных сердечниках.
Данное техническое решение принимается в качестве прототипа.
В известном техническом решении реверсивного электромагнитного привода направление действия силы на выходе устройства, совпадающее с направлением движения якоря, зависит от начального состояния механической системы, фиксирующей якорь в одном из двух крайних рабочих положений, что ограничивает функциональные возможности устройства, которые вызваны необходимостью в дополнительном согласовании относительно начального положения якоря в механической системе. Кроме того, изменить направление движения якоря можно только после повторной подачи импульса тока в катушку управления для приведения якоря в исходное положение.
Задачей изобретения (технического решения) является расширение функциональных возможностей путем формирования на выходе однокатушечного электромагнита двустороннего электромагнитного тягового усилия и разнонаправленного движения якоря за время включения.
Решение задачи достигается тем, что однокатушечный электромагнит, содержащий цилиндрический магнитопровод, катушку управления, якорь со штоком, связанным с нагрузкой, установленные с торцов магнитопровода два полых стопа с размещенным в одном из них подвижным сердечником с центральным отверстием для штока, причем упомянутые якорь и подвижный сердечник отжимаются в свои крайние положения и фиксируются с помощью пружин сжатия, образуя относительно своих торцевых поверхностей воздушные зазоры, при определенных значениях которых происходит изменение направления силы, действующей на якорь, при этом подвижный сердечник выполнен с внутренней полостью и с внешним кольцевым выступом, контактирующим через образованную торцевую поверхность с торцевой поверхностью полого стопа, а шток якоря снабжен подпружиненным в направлении якоря кольцевым буртиком, установленным с возможностью осевого смещения во внутренней полости подвижного сердечника, удерживаемого в крайнем положении подпружиненным якорем, занимающим промежуточное положение и образующим между одной его торцевой поверхностью и торцевой поверхностью подвижного сердечника воздушный зазор , а между другой его торцевой поверхностью и торцевой поверхностью полого стопа воздушный зазор , причем .
Применение предложенной совокупности существенных признаков позволяет получить новый технический результат: расширить функциональные возможности однокатушечного электромагнита за счет двунаправленного поступательного движения якоря за время протекания импульса тока в катушке управления.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан однокатушечный электромагнит в разрезе.
Однокатушечный электромагнит содержит неподвижную часть в виде цилиндрического магнитопровода 1 с размещенной внутри катушкой управления 2, полые стопы 3 и 4, подвижный сердечник 5 с внешним кольцевым выступом 6, якорь 7, жестко закрепленный на штоке 8, выполненным в виде цилиндра с кольцевым буртиком 9, и пружины сжатия 10 и 11.
На концах цилиндрического магнитопровода 1 установлены полые стопы 3 и 4. Внутри полого стопа 3 с возможностью перемещения по скользящей посадке установлен подвижный сердечник 5, выполненный с образованной внутри полостью и внешним кольцевым выступом 6, контактирующим с торцевой поверхностью полого стопа 3. Площадь контактирующих рабочих поверхностей внешнего кольцевого выступа 6 и полого стопа 3 меньше площади рабочей поверхности подвижного сердечника 5. Якорь 7 связан с нагрузкой через шток 8, проходящий через центральные осевые отверстия внутри полого стопа 4 и подвижного сердечника 5.
Шток 8, благодаря кольцевому буртику 9, подпружинен в направлении якоря 7 с помощью пружины сжатия 10 и установлен с возможностью осевого смещения во внутренней полости подвижного сердечника 5, удерживаемого в крайнем положении подпружиненным с помощью пружины сжатия 11 якорем 7, занимающем промежуточное положение между подвижным сердечником 5 и полым стопом 4.
При обесточенной катушке управления 2 между торцевыми поверхностями якоря 7 и подвижного сердечника 5, якоря 7 и полого стопа 4, кольцевого выступа 6 полого сердечника 5 и полого стопа 3 образуются воздушные зазоры ,  и , причем , а .
Однокатушечный электромагнит работает следующим образом.
При подаче импульса напряжения на катушку управления 2 протекающий по виткам катушки ток создает рабочий магнитный поток, который последовательно замыкается через воздушные зазоры  и . Одновременно часть магнитного потока, ответвляясь замыкается через воздушный зазор , что приводит к созданию электромагнитного притяжения между контактирующими рабочими поверхностями внешнего кольцевого выступа 6 и полого стопа 3 и удержанию подвижного сердечника 5. За счет созданного магнитного потока на якорь 7 будет действовать две противоположно направленные силы электромагнитного притяжения – в направлении подвижного сердечника 5 и в направлении полого стопа 4. Так как воздушные зазоры , то сила электромагнитного притяжения, действующая со стороны подвижного сердечника 5, будет преобладать над силой притяжения, действующей со стороны полого стопа 4. Вследствие этого якорь 7 и закрепленный с ним шток 8, преодолевая усилие пружины сжатия 10 будут ускоренно перемещаться в направлении подвижного сердечника 5 до полного сцепления с ним. В точке сцепления произойдет остановка якоря 7 и изменения величин воздушных зазоров: , а  будет иметь максимальное значение.
За время движения якоря 7 ток и магнитный поток вследствие переходного процесса существенно возрастают и достигают некоторого максимума. Сила электромагнитного притяжения якоря 7 и сцепленного с ним подвижного сердечника 5 в направлении полого стопа 4 становится больше силы электромагнитного притяжения, удерживающей подвижный сердечник 5 в направлении полого стопа 3. Преодолевая противодействующее усилие пружины сжатия 11 якорь 7, закрепленный с ним шток 8 и сцепленный с якорем 7 подвижный сердечник 5 ускоренно перемещаются в направлении полого стопа 4 до полной их остановки и обесточивания катушки управления 2.
В точке остановки воздушные зазоры , а воздушный зазор  принимает максимальное значение.
После обесточивания катушки управления 2 якорь 7 и подвижный сердечник 5 под действием сил пружин сжатия 10 и 11 возвращаются в исходное состояние.
Для снижения эффекта шунтирования магнитного потока шток 8 может быть выполнен из немагнитного материала.
В случае необходимости величину силы, удерживающей подвижный сердечник 5, можно изменить путем подбора площади контактирующих поверхностей кольцевого выступа 6 и полого стопа 3.
Таким образом, заявленное техническое решение позволяет осуществить разнонаправленное движение якоря, что расширяет функциональные возможности использования однокатушечного электромагнита в качестве привода механизмов с линейным перемещением, в которых к нагрузке за время включения необходимо прилагать электромагнитное усилие в разных направлениях.