КЛАПАННЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
DIRECT VOLTAGE VALVE ELECTROMAGNET

Заявляемое решение относится к электромагнитным приводам, питающимся от источника постоянного напряжения и применяемым в устройствах автоматики, управления, аппаратов коммутации и защиты, например в реле, контакторах, пускателях.
Известны клапанные электромагниты постоянного тока [1, 2], содержащие цилиндрический сердечник, полюсный наконечник, поворотный якорь, связанный с механизмом, приводимым в движение, катушку с намотанной медным проводом обмоткой. Сердечник с насаженной на нем обмоткой закреплен на Г-образной скобе.
Известно, что клапанные электромагниты выполняют в соответствии с исходными данными на проектирование при условии оптимальности по определенному критерию [3]. Исходными параметрами являются величина противодействующего усилия механизма, который приводится в движение электромагнитом, величина рабочего зазора, т.е. величина перемещения якоря, а оптимизация конструкции проводится по таким критериям, как минимальная масса активных материалов - материала провода и ферромагнитных деталей, потребляемая мощность, объем и т.п. В результате определяются размеры и параметры электромагнита, базовыми из которых являются диаметры сердечника и полюсного наконечника, высота и толщина обмотки, тяговое (электромагнитное) усилие, мощность, потребляемая обмоткой.
Известно также [2], что параметры электромагнитов зависят от режима работы: длительного или повторно-кратковременного.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является клапанный электромагнит постоянного напряжения с параметрами, оптимизированными по массе активных материалов [3, 4].
c
n
як
мх
к
о
о
ск
Общий вид известного электромагнита изображен на фигуре, где приняты следующие обозначения: 1 - сердечник с диаметром d; 2 - круглый полюсный наконечник с диаметром d; 3 - поворотный якорь с толщиной а; 4 - механизм, приводимый в движение якорем (ведомый механизм), который оказывает противодействие усилием Р; 5 - каркас катушки с щечками толщиной Δ; 6 - обмотка катушки с высотой Н и толщиной А; 7 - Г-образная скоба с толщиной а; δ - рабочий воздушный зазор, равный расстоянию между поверхностями якоря 3 и полюсного наконечника 2 вдоль общей оси симметрии О′О′′ сердечника 1 и полюсного наконечника 2; с - расстояние от оси симметрии О′О′′ до скобы 7, определяющее место крепления сердечника на основании Г-образной скобы 7.
Электромагнит содержит цилиндрический сердечник 1, круглый полюсный наконечник 2, поворотный якорь 3, связанный с ведомым механизмом 4, каркас катушки 5, обмотку 6, Г-образную скобу 7. На одном из отгибов скобы 7, являющемся его основанием, жестко закреплен сердечник 1 одним известных способов [3, 4], а на конце другого отгиба установлен с возможностью поворота якорь 3.
n
Полюсный наконечник 2 выполнен с диаметром d, который устанавливается из известного выражения для площади полюсной поверхности [4, с. 122] при условии равенства электромагнитного усилия при срабатывании величине противодействующей силы Рмх и составляет
δ
δ
где В - усредненная величина магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре, выбираемая по известной графической зависимости В от значения конструктивного показателя (фактора)
c
Диаметр сердечника d определяется из соотношения магнитных потоков в рабочем зазоре и в сердечнике, равного коэффициенту рассеяния о [4, с. 123], и составляет
где σ = 1,2÷1,6;
с
с
В - индукция в сердечнике; выбирают в пределах от 1,4 Тл до 1,7 Тл; для электромагнитов с условно-полезной работой 0,06 Н·м оптимальное значение В составляет 1,5 Тл [2].
c
При необходимости более точного выполнения проекта значение d находится путем последовательных приближений по предложенным в [2] соотношениям.
o
Обмотка 6 выполнена толщиной А, которая определяется из известного соотношения, устанавливающего связь между геометрическими размерами и электрическими параметрами обмотки [4, с. 123], и после некоторых преобразований из этого соотношения следует
<mrow><msub><mi>A</mi><mi>o</mi></msub><mo>=</mo><mroot><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>Г</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><msup><mi>β</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow><mi>δ</mi></mroot></mrow>
,
o
o
где β - отношение высоты обмотки Н к ее толщине А;
обм
Г - геометрический параметр обмотки;
обм
F - намагничивающая сила обмотки;
гор
ρ - удельное сопротивление провода в горячем состоянии;
з
k - коэффициент заполнения обмотки;
зап
k - коэффициент запаса по намагничивающей силе относительно намагничивающей силы срабатывания;
т
k - коэффициент теплоотдачи;
р
h - коэффициент перегрузки по мощности;
доп
τ - допустимая температура перегрева обмотки.
o
o
Высота обмотки Н выбирается при известном значении А из соотношения β=4÷8 [4].
Остальные геометрические размеры установлены исходя из конструктивных и технологических требований выполнения детали или узла.
п
c
o
o
Недостатком известного электромагнита, изготовленного с основными элементами в соответствии с вышеприведенными выражениями, является то, что он должен иметь оптимальные параметры только при условно-полезной работе, равной 0,06 Н·м, и лишь при длительном режиме работы [2, с. 353]. При этом полученные расчетным путем значения параметров могут отличаться друг от друга существенно (для d и d до 1,5 раз, а для А и Н до 2 раз и более), а что выбрать конкретно - нет определенности.
В связи с тем, что в известном электромагните не учитываются потоки рассеяния между полюсным наконечником и Г-образной скобой, расчетные значения магнитного потока в рабочем зазоре δ завышены [5], следовательно, получаются заниженные значения размеров и массы активных материалов электромагнита.
Таким образом, недостатки известного клапанного приводного электромагнита связаны:
o
c
c
max
р
3
- с отсутствием обоснований, что выбранные соразмерности обеспечивают минимальную массу активных материалов электромагнита в повторно-кратковременном режиме его работы из-за широкого диапазона изменения соотношения H/d, δ/d, которые не увязаны с такими исходными данными проектирования, как кратность К максимального напряжения источника питания относительно напряжения срабатывания электромагнита, коэффициент перегрузки по мощности n, коэффициент заполнения обмоточного окна k;
c
c
a
c
o
c
- остается неопределенным вопрос выбора других соотношений конструктивных параметров, определяющих соразмерности электромагнита, таких как δ/d, c/d, d/d, А/d.
max
р
мх
3
Задачей заявляемого технического решения является создание клапанного электромагнита постоянного тока, работающего в повторно-кратковременном режиме, с оптимальными геометрическими размерами, обеспечивающими оптимизацию конструкции по критерию минимальная масса активных материалов - материала провода и ферромагнитных деталей, увязанными с конкретными значениями проектных параметров, такими как кратность максимального напряжения источника питания относительно напряжения срабатывания электромагнита K, коэффициент перегрузки по мощности n, противодействующее усилие Р, рабочий воздушный зазор δ, коэффициент заполнения обмоточного окна k, диапазоны изменения которых характерны для клапанных электромагнитов, используемых в качестве приводов реле, контакторов, магнитных пускателей, а также других средств автоматики, управления, защиты. При этом должна учитываться зависимость каждого геометрического параметра (размера) электромагнита от проектных эксплуатационных параметров (при определенных условиях эксплуатации и требованиях к рабочим характеристикам).
Техническим результатом заявляемого технического решения является обеспечение минимальной массы активных материалов клапанного электромагнита постоянного напряжения.
р
c
n
мх
o
o
3
max
Технический результат достигается тем, что в клапанном электромагните постоянного напряжения, выполненном с возможностью работы в повторно-кратковременном и длительном режимах работы при коэффициенте перегрузки n, содержащем цилиндрический сердечник с диаметром d, круглый полюсный наконечник с диаметром d, поворотный якорь, связанный с ведомым механизмом, имеющим усилие противодействия Р, и размещенный с возможностью перемещения на расстояние, равное величине рабочего воздушного зазора δ, катушку, состоящую из каркаса и обмотки с высотой Н и толщиной А, имеющей коэффициент заполнения k, насаженную на сердечник и питаемую от источника постоянного напряжения с коэффициентом запаса по напряжению K, Г-образную скобу, сердечник выполнен с диаметром, определяемым по формуле:
i
где (z) кодированные значения факторов:
1
z=0,319δ-2,236;
2
мx
z=0,1595P-2,392;
3
max
z=8K-12,4;
4
p
z=1,064n-2,66;
5
3
z=8k-4;
полюсный наконечник - с диаметром, определяемым по формуле:
o
высота обмотки - со значением Н, определяемым по формуле:
,
толщина обмотки - со значением Ао, определяемым по формуле:
max
p
1
мх
Заявляемый клапанный электромагнит изготавливается с учетом предварительно заданных проектных параметров, а именно: 1,35≤K≤1,75; 1≤n≤4; 0,30≤k≤0,70; 5H≤P≤25Н, 2 мм≤δ≤12 мм.
c
п
п
c
1
2
4
o
o
-3
Электромагнит содержит цилиндрический сердечник 1, выполненный диаметром d в соответствии с выражением:  круглый полюсный наконечник 2, выполненный диаметром d в соответствии с выражением: d=d·10(1778+21z-23z-23z), поворотный якорь 3, ведомый механизм 4, каркас катушки 5, обмотку 6 с толщиной А и высотой Н, определяемыми соответственно выражениями:  и
На одном из отгибов Г-образной скобы 7, являющемся его основанием, закреплен сердечник 1. Причем ось сердечника О′О′′ удалена от внутренней стенки второго отгиба Г-образной скобы на расстояние с, которое из условий оптимальности определяется как:
Однако при оптимальных значениях с между обмоткой 6 и отгибом скобы 7 остается пустое пространство. Поэтому величина с выбирается исходя из конструктивных соображений, обеспечивая при этом наиболее плотную компоновку электромагнита.
c
п
o
o
Предложенные выражения для определения d, d, А и Н основаны на экспериментальных обобщенных нагрузочных характеристиках электромагнитов [5, 6], а также на математических моделях тепловых параметров электромагнитов, полученных расчетным моделированием неравномерности распределения температурного поля в толще обмотки с раздельным учетом конвективного теплообмена и отдачи тепла лучеиспусканием [7].
c
n
o
o
а
ст
м
Примеры оптимизированных электромагнитов, выполненных по предложенным соотношениям основных параметров, приведены в таблице. Расчеты основных размеров (d, d, А, Н), массы активных материалов m, стали m и меди m приведены при характерных (предельных) значениях исходных данных.
расч
опт
Отличия расчетных значений параметров (П) заявленного электромагнита от оптимальных значений (П), полученных на основе экспериментальных обобщенных характеристик и представленных в виде математических моделей, составляют от -8% до 6%
Клапанный электромагнит постоянного напряжения, выполненный по предложенным геометрическим размерам, позволяет обеспечить:
- минимальную массу активных материалов (электротехнической стали и меди), при этом каждый из его основных геометрических размеров определен с учетом влияния на него всех проектных данных, что позволяет уточнять их с учетом конструктивных и технологических требований на проектирование;
- высокую достоверность расчетных параметров, отличающихся от оптимальных значений незначительно.
Источники информации
1. Любчик М.А. Силовые электромагниты аппаратов и устройств автоматики постоянного тока (Расчет и элементы проектирования). М.: Энергия, 1968. 158 с.
2. Гордон А.В., Сливинская А.Г. Электромагниты постоянного тока. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. 447 с.
3. Никитенко А.Г. Проектирование оптимальных электромагнитных механизмов. М: Энергия, 1974. 135 с.
4. Сливинская А.Г. Электромагниты и постоянные магниты. М.: Энергия, 1972. 248 с.
5. Кадыков В.К., Руссова Н.В., Свинцов Г.П., Сизов А.В. Обобщенные экспериментальные зависимости потокораспределения, потокосцепления и магнитодвижущей силы в клапанных электромагнитных системах постоянного тока с круглыми полюсными наконечниками. Электротехника. 2007. - № 4. - С. 41-47.
6. Афанасьев В.В., Приказщиков А.В., Руссова Н.В., Свинцов Г.П. Обобщенные экспериментальные статические нагрузочные характеристики клапанных электромагнитов постоянного тока с круглыми полюсными наконечниками. Способ представления. Электротехника. 2011. - № 5. - С. 39-45.
7. Руссова Н.В. Математическое моделирование тепловых параметров электромагнитов постоянного тока и напряжения. Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике: материалы IV Всерос. научн.-техн. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та. - 2002. - С. 145-149.