ЭЛЕКТРОМАГНИТ

Полезная модель относится к электромагнитам и может быть использована в гидравлических управляемых устройствах.
Установлено, что ступенчатая форма торца якоря позволяет получить большую начальную электромагнитную силу, чем у якоря электромагнита с плоским или коническим торцом.
Известно электромагнитное приводное устройство по патенту РФ №2408943 (опубл. 10.01.2011, бюл. №1) со ступенчатой приформованной частью по типу стопки дисков на поршнеобразном участке якоря.
Общими признаками с заявленным электромагнитом является наличие якоря со ступенчатым торцом.
Известен электромагнитный линейный привод по патенту US7904395 (опубл. 08.03.2011), содержащий якорь и статор, поверхности которых ступенчатые.
Общими признаками также является наличие якоря со ступенчатым торцом.
Известен электромагнит по европейскому патенту EP2600360 (опубл. 05.06.2013). Якорь электромагнита выполнен ступенчатым, как и в заявляемой полезной модели.
Общим недостатком известных устройств является снижение движущей силы якоря из-за насыщения индукции магнитного поля в элементах электромагнита, вызванного использованием ступеней с примерно равными площадями.
Техническим результатом заявленной полезной модели является увеличение движущей силы ступенчатого якоря электромагнита за счет выбора такой площади торцевых поверхностей ступеней якоря, которая исключает насыщение индукции в магнитной системе электромагнита.
Технический результат достигается за счет того, что электромагнит содержит статор, шток, якорь, торец якоря, обращенный к штоку, выполнен двухступенчатым, внутренняя расточка статора со стороны штока имеет ответное двухступенчатое углубление по форме ступеней якоря, причем отношение площади торцевой поверхности ступени якоря, имеющей меньший диаметр, к площади торцевой поверхности ступени якоря в виде кольца, имеющей больший диаметр, составляет от 1,1 до 1,9.
Фиг. 1 – общий вид электромагнита;
фиг. 2 – вид А электромагнита;
фиг. 3 – график зависимости движущей силы якоря от соотношения площади торца якоря к площади торца якоря с большим диаметром за вычетом площади торца якоря с меньшим диаметром.
На фиг. 1 и 2 показаны:
1 – статор;
2 – шток;
3 – якорь;
4 – ступенчатый торец якоря;
5 – внутренняя расточка статора;
h – воздушный зазор в конце хода якоря.
Электромагнит содержит статор 1, шток 2, якорь 3, торец якоря 4, обращенный к штоку, выполнен двухступенчатым, внутренняя расточка статора 5 со стороны штока имеет ответное двухступенчатое углубление по форме ступеней якоря, причем отношение площади торцевой поверхности ступени якоря, имеющей меньший диаметр, к площади торцевой поверхности ступени якоря в виде кольца, имеющей больший диаметр, составляет от 1,1 до 1,9.
Между двухступенчатым торцом 4 якоря и расточкой 5 статора в конце хода якоря 3 может оставаться воздушный зазор h, равный примерно 5-10% полного хода якоря.
Когда статор 1 и якорь 3 находятся в конечном положении по отношению друг к другу, образуя минимально допустимое промежуточное пространство между двухступенчатым торцом 4 якоря 3 и расточкой 5 статора 1 (фиг. 1), индукция магнитного поля на выступах торцов якоря и статора максимальна. В данном положении якоря движущая сила также максимальна. По мере увеличения воздушного зазора до начального положения якоря 3 растет магнитное сопротивление, таким образом, уменьшается его движущая сила. Вместе с тем в зоне двухступенчатого торца якоря не допускается рост индукции до насыщения, а также достигается увеличение движущей силы якоря 3 электромагнита. Поскольку соотношение площадей торца 4 якоря входит в диапазон 1,1-1,9, то движущая сила якоря 3 в его начальном положении достигает максимально возможной величины.
Достижение технического результата подтверждается результатами моделирования. Математическое моделирование магнитной системы электромагнита подтвердило, что соотношение площадей ступеней в районе значения 1,5 позволяет избежать насыщения индукции магнитного поля на выступающих частях торца якоря и ответных выступах статора и достичь максимальной движущей силы.
Математическое моделирование магнитной системы электромагнита было выполнено в программе «ELCUT». Математическая модель в пакете «ELCUT» позволяет получать картину распределения индукции магнитного поля в элементах электромагнита при заданной намагничивающей силе обмотки.
1
2
1
1
2
2
1
1
2
В результате проверки технического результата при помощи математического моделирования определены максимальные значения движущей силы F, развиваемой электромагнитом при значениях отношения площади S торца якоря с меньшим диаметром (за вычетом площади отверстия по оси якоря) к площади торца якоря в виде кольца с большим диаметром S (за вычетом площади S), т.е. при моделировании осуществлялось построение функции F=f(S/S). При этом для моделирования выбраны конкретные значения диаметра отверстия по оси якоря (d) и диаметров торцов якоря D и D. Поскольку максимальное значение движущей силы F зависит от величины индукции, а это, в свою очередь, зависит от соотношения площадей поверхностей, то результаты моделирования с конкретными диаметрами могут быть распространены и на другие случаи с данным соотношением площадей S/S. При изменении величины абсолютных диаметров будет меняться абсолютное значение функции F, а не значение ее максимума (аргумент в точке максимума).
Если диаметр отверстия по оси якоря (d) принять 6 мм, то площадь торца якоря будет рассчитываться по уравнению:
1
S= .
2
Если диаметр торца якоря с большим диаметром (D) принять равным 28 мм, то площадь торца якоря с большим диаметром за вычетом площади торца якоря с меньшим диаметром можно рассчитать как:
2
S= .
Результаты моделирования приведены в таблице 1, в которой:
1
D – диаметр торца якоря с меньшим диаметром, мм;
1
2
S – площадь торца якоря с меньшим диаметром за вычетом площади отверстия вдоль оси якоря, мм;
2
1
2
S – площадь торца якоря с большим диаметром за вычетом площади S, мм;
F – движущая сила, Н.
Таблица 1
1
2
Из таблицы 1 следует, что максимальная движущая сила якоря будет при соотношении S/S равном 1,5, при D1=22 мм.
1
2
Из графика (фиг.3), построенного по значениям таблицы 1, следует, что зона максимума F находится в диапазоне значений S/S 1,1-1,9. Результаты математического моделирования подтверждают достижение технического результата в полезной модели.