ДВУХСТОРОННИЙ ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТ С ПАССИВНЫМ УДЕРЖАНИЕМ ШТОКА
DOUBLE-SIDED POLARIZED ELECTROMAGNET WITH PASSIVE STOCK RETENTION

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромагнитным устройствам для промышленных, бытовых, технических объектов в качестве элемента в системах управления.
Известен электродинамический привод клапанов двигателей внутреннего сгорания, содержащий магнитомягкий магнитопровод, внутри которого размещены подпружиненный якорь, постоянный магнит и обмотка управления. На торце магнитомягкого сердечника со стороны, обращенной в сторону якоря, установлен постоянный магнит (патент РФ №2140034).
Недостатком данного технического решения является низкий уровень электромагнитного усилия при срабатывании, что значительно увеличивает время срабатывания электромагнита. Этому способствует и наличие магнитно-индукционного демпфера.
Наиболее близким аналогом является быстродействующий поляризованный электромагнит броневого типа с независимыми потоками поляризации (RU 2242816 С2, H01F 7/16), содержащий соосно расположенные обмотки управления (катушки управления), кольцеобразные постоянные магниты, магнитомягкие стопы (магнитомягкие вставки) и шток, выполненный из немагнитного материала с закрепленным на нем кольцеобразным якорем, находящиеся внутри цилиндрических частей магнитомягких магнитопроводов между немагнитными фланцами с отверстиями, являющихся частью корпуса электромагнита.
Недостатком известного быстродействующего поляризованного магнита является невозможность фиксации штока в крайних положениях с созданием значительных усилий без затрат электроэнергии, а также невозможность создания динамического усилия (усилия, перемещающего шток в одно из крайних положений).
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является возможность фиксации штока в одном из крайних положений с заданным усилием удержания без затрат электрической энергии.
Сущность изобретения состоит в том, что в двухстороннем поляризованном электромагните с пассивным удержанием штока, содержащем соосно расположенные катушки управления, кольцеобразные постоянные магниты, магнитомягкие вставки и шток, выполненный из немагнитного материала с закрепленным на нем кольцеобразным якорем, находящиеся внутри цилиндрических частей магнитомягких магнитопроводов между немагнитными фланцами с отверстиями, предложено по меньшей мере одну катушку управления и магнитомягкие вставки магнитопровода закрепить на внутренней части магнитомягких магнитопроводов, якорь выполнить из кольцеобразных постоянных магнитов с аксиальным направлением намагничивания и магнитомягких вставок якоря, причем постоянных магнитов установить по меньшей мере на один больше, чем катушек управления, а шток установить с возможностью свободного перемещения через отверстия в немагнитных фланцах. Кроме того, предложено длину магнитомягкой вставки якоря и постоянного магнита выполнить примерно равной сумме расстояния между магнитомягкими вставками магнитопровода и длины магнитомягкой вставки магнитопровода, магнитомягкие вставки якоря расположить между постоянными магнитами, магнитомягкие вставки магнитопровода расположить с торцов и между катушек управления и постоянные магниты расположить одноименными полюсами друг к другу.
Выполнение якоря из кольцеобразных постоянных магнитов с аксиальным направлением намагничивания и магнитомягких вставок якоря и закрепление по меньшей мере одной катушки управления и магнитомягких вставок магнитопровода на внутренней части магнитомягких магнитопроводов позволяет получать заданные статическое и динамическое усилия при перемещении штока.
Выполнение длины магнитомягкой вставки якоря и постоянного магнита примерно равной сумме расстояния между магнитомягкими вставками магнитопровода и длины магнитомягкой вставки магнитопровода позволяет задавать величину хода штока. От указанной длины зависит величина хода штока и требуемое усилие удержания в крайних положениях.
Расположение магнитомягких вставок якоря между постоянными магнитами, а магнитомягких вставок магнитопровода с торцов и между катушками управления позволяет сконцентрировать магнитный поток в зазоре между магнитомягкими вставками якоря и магнитопровода.
Установка постоянных магнитов по меньшей мере на один больше, чем катушек управления, позволяет получить максимальное статическое усилие в крайних положениях штока.
Расположение постоянных магнитов одноименными полюсами друг к другу позволяет получить максимальное динамическое усилие при перемещении штока.
Двухсторонний поляризованный электромагнит с пассивным удержанием штока приведен на фиг. 1 и включает закрепленный на штоке 1 якорь, состоящий из кольцеобразных постоянных магнитов 2 и магнитомягких вставок якоря 3, соосно ему расположенные кольцеобразные катушки управления 4 и магнитомягкие вставки магнитопровода 5 и закрепленные на внутренней цилиндрической части магнитомягких магнитопроводов 6 между немагнитными фланцами 7. Шток 1 проходит через отверстия в немагнитных фланцах 7. Длина магнитомягкой вставки якоря 3 и постоянного магнита 2 (а) примерно равна сумме расстояния между магнитомягкими вставками магнитопровода 5 и длины магнитомягкой вставки магнитопровода 5 (b).
На фиг. 2 приведен график удержания штока с помощью постоянных магнитов 2.
Работа устройства заключается в следующем. На катушки управления 4 подаются короткие импульсы тока (длительность импульсов менее 1 с), тем самым системой из катушек управления 4 и магнитомягких вставок магнитопровода 5 создается рабочий магнитный поток, который при взаимодействии с поляризующим потоком, созданным системой из магнитомягких вставок якоря 3, размещенных между постоянными магнитами 2, устремляет шток 1 из одного крайнего положения в другое. При отключении тока в катушках управления 4 шток 1 фиксируется в одном из крайних положений (начальном 51 или конечном 52) и удерживается за счет притяжения магнитомягких вставок якоря 3 к магнитомягким вставкам магнитопровода 5. Удержание (фиксация) штока 1 происходит за счет поляризующего магнитного потока. Для возврата штока 1 в другое крайнее положение необходимо подать импульс тока противоположной полярности на катушки управления 4, т.е. направление хода штока 1 зависит от полярности напряжения, подаваемого на катушки управления 4. Таким образом, в системе производятся равнозначные действия и не требуется дополнительных затрат энергии для запуска и остановки действия системы.
Задача повышения надежности поляризованного электромагнита решается созданием потенциального барьера, что поясняется фиг. 2, где:
F - статическое усилие;
треб.
F - требуемое усилие удержания;
δ - ход штока 1.
1
2
δ, δ - крайние положения штока 1.
1
При нахождении штока 1 в крайнем положении (например, δ) требуемое значение усилия удержания не является максимальным и имеет запас (потенциальный барьер), позволяющий говорить о том, что усилие удержания больше усилия срыва, т.е. о повышении надежности системы по сравнению с ближайшим аналогом.
Использование предлагаемого устройства позволяет фиксировать (удерживать) шток электромагнита в одном из крайних положений с заданным усилием удержания без затрат электрической энергии, потреблять малое количество электроэнергии на перемещение штока из одного крайнего положения в другое.