Поворотный электромагнит
ROTARY ELECTROMAGNET

Изобретение относится к области электротехники, а конкретно к поворотным электромагнитам, и может быть использовано в электромеханизмах, в пневматических и гидравлических системах, где требуются малые перемещения и большие усилия, а также стабильность усилия по перемещению якоря.
Известно техническое решение по патенту RU №2167462. Сущность заключается в том, что позиционный электромагнит, содержащий двухполюсный поворотный якорь из магнитомягкого материала, обмотку управления, охватывающую якорь, статор, включающий два механически соединенных и магнито-изолированных двухполюсных магнитопровода и постоянный магнит возбуждения из закритического материала между ними, при этом каждый полюс якоря установлен с возможностью взаимодействия с двумя полюсами обоих магнитопроводов при постоянном радиальном воздушном зазоре между ними, вал якоря выполнен из немагнитного материала, в качестве закритического материала применен сплав неодим-железо-бор, длина постоянного магнита определяется соотношением:
где  - длина постоянного магнита;
M
S - площадь поперечного сечения постоянного магнита;
G - суммарная геометрическая проводимость воздушных зазоров.
Недостатком является сравнительно малое усилие, связанное с тем, что взаимодействие между якорем и статором реализуется на двумерной поверхности.
Наиболее близким техническим решением к заявленному техническому решению по наибольшему количеству совпадающих признаков и достигаемому техническому результату, выбранному заявителем в качестве прототипа, является поворотный электромагнит, у которого движение полюсов ротора перпендикулярно магнитным силовым линиям (см. Л.И. Столов, А.Ф. Афанасьев, "Моментные двигатели постоянного тока", М. Энергоатомиздат 1989 г., рис. 3.9а., стр. 65). Сущность заключается в том, что поворотный электромагнит содержит цилиндрический статор с магнитопроводом и двумя полюсами, обмотку управления и ротор с явно выраженными полюсами.
Недостатком является сравнительно малое усилие и нестабильность по углу поворота ротора.
Технической результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в увеличении усилия поворотного электромагнита при сохранении габаритов и потребляемой мощности, а также стабильность усилия по перемещению ротора.
Технический результат достигается тем, что в поворотный электромагнит, имеющий статор с магнитопроводом и двумя полюсами, обмотку управления и ферромагнитный ротор, полюса и ротор имеют форму секторов, ротор и статор содержат чередующиеся диски в виде секторов с набором чередующихся ферромагнитных и немагнитных элементов.
Заявленное техническое решение поясняется чертежами (Фиг. 1 - Фиг. 4):
- на Фиг. 1 - показано продольное сечение поворотного электромагнита;
- на Фиг. 2 - показано поперечное сечение;
- на Фиг. 3 - показано сечение цилиндрической поверхностью;
- на Фиг. 4 - показано расположение секторов в начальном положении.
Предлагаемый электромагнит имеет магнитопровод 1 имеющий выступы 2 в виде секторов, диски ротора 3 и диски статора 4, обмотку 5, немагнитную втулку 6, вал 7, корпус 8, подшипники вместе с крышками 9, возратную пружину 10, упор 11.
Корпус 8, жестко связан с магнитопроводом 1.
Ротор 3 представляет собой набор секторов из ферромагнитного и немагнитного материалов, они механически связаны с втулкой 6 и с валом 9 и движутся вместе с ними.
Статор 4 представляет собой набор секторов из ферромагнитного и немагнитного материалов, они механически связаны с магнитопроводом 1 и неподвижны. Магнитопровод 1 имеет выступы в виде секторов. Толщина дисков 3, 4 в два раза больше, чем высота выступов на магнитопроводе.
На фиг. 2 и фиг. 3 ферромагнитные сектора показаны штриховкой, а немагнитные не заштрихованы. Угловая ширина всех ферромагнитных секторов и выступов одинаковая.
Электромагнит работает следующим образом. При обесточенной обмотке возвратная пружина 10 перемещает ротор 3 вправо до упора 11. При этом имеется небольшое перекрытие секторов ротора 3 и секторов статора 4 (фиг. 4). При подаче напряжения на обмотку 5 по ней течет электрический ток, возникает магнитный поток и появляются электромагнитные силы, действующие на сектора ротора 3 (пути прохождения магнитного поля показаны на фиг. 3), который передается на связанный вместе с ними втулку 6. Эта сила действует через вал 7 на исполнительный механизм.
Эффективность предлагаемой конструкции по сравнению с прототипом можно показать следующим образом. Электромагнитный момент, действующий на сектора ротора, определяется формулой:
1
δ
∑
1
2
где М - электромагнитный момент, действующий на один сектор; B - магнитная индукция в зазоре; δ - сумма длин зазоров; R, R - внутренний и наружный радиусы; ϕ - угол перекрытия; m - число рабочих зазоров; n - число секторов;
Из последней формулы следует, что с увеличением числа секторов электромагнита n общий момент М возрастает пропорционально при сохранении МДС обмотки. Отметим, что в первом приближении момент М прямо пропорциональна квадрату тока обмотки и не зависит от перемещения ϕ. Данный электромагнит рекомендуется к применению в механизмах с небольшим перемещением ротора и с большими усилиями исполнительного механизма.
Далее детально представлены конструктивные особенности признаков, приведенных на указанных фигурах.
Таким образом, в результате многослойного исполнения области электромагнитного взаимодействия секторов ротора и статора, получен поворотный электромагнит, обеспечивающий повышенные энергетические характеристики и повышенный электромагнитный момент.