ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД

Полезная модель относится к области электромагнитных приводов с якорями, удерживаемыми в конечном положении с помощью постоянного магнита, и может быть применена, например, для привода различных выключателей.
Известен электромагнитный привод [1], содержащий корпус из магнитного материала, коаксиально расположенный в нем сердечник из магнитного материала, постоянный магнит с намагниченностью, перпендикулярной оси привода, установленный между корпусом и сердечником, катушки, установленные в корпусе, шток, установленный в сердечнике с возможностью линейного перемещения вдоль оси привода, и два якоря из магнитного материала, установленных на концах штока с зазором между торцами якорей, превышающим размер сердечника в направлении оси привода на величину рабочего хода последнего.
Недостатком известного устройства является сложность изготовления корпуса и установки в него деталей, а также малая удельная сила удержания якорей в крайних положениях из-за небольшой, в сравнении с диаметром корпуса, площади магнитного контакта якорей и сердечника.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели техническим решением (прототипом) является электромагнитный привод [2], который содержит корпус из магнитного материала с коаксиально расположенными в нем сердечником из магнитного материала и катушкой, установленной между корпусом и сердечником со стороны одного из их торцов. Со стороны других торцов корпуса и сердечника расположен постоянный магнит с намагниченностью, перпендикулярной оси привода. В сердечнике установлен шток, выполненный с возможностью линейного перемещения вдоль оси привода и подпружиненный вдоль оси в направлении от постоянного магнита к катушке. На штоке со стороны катушки установлен якорь из магнитного материала.
Недостатком устройства-прототипа является большое энергопотребление на включение привода при заданной величине хода, силы подпружинивания и силы притяжения якоря со стороны постоянного магнита в исходном положении.
Предлагаемая полезная модель направлена на снижение энергии, необходимой для включения привода при заданной величине хода, силы подпружинивания и силы притяжения якоря со стороны постоянного магнита в исходном положении.
Указанный технический результат достигается тем, что в электромагнитном приводе, содержащем корпус из магнитного материала с коаксиально расположенными в нем сердечником из магнитного материала и катушкой, установленной между корпусом и сердечником со стороны одного из их торцов, постоянный магнит с намагниченностью, перпендикулярной оси привода, установленный между корпусом и сердечником со стороны, противоположной катушке, шток, установленный в сердечнике с возможностью линейного перемещения вдоль оси привода и подпружиненный вдоль оси в направлении от постоянного магнита к катушке, и якорь из магнитного материала, установленный на штоке со стороны катушки, согласно предложению, катушка выполнена выступающей над прилегающими к ней торцами корпуса и сердечника, а якорь выполнен с углублением со стороны катушки, имеющим размеры, превышающие габаритные размеры выступающей части катушки. Кроме того, привод может быть дополнительно снабжен вторым якорем из магнитного материала, установленным на штоке со стороны постоянного магнита. Расстояние между поверхностями якорей со стороны торцов корпуса и сердечника превышает высоту последних на величину, не меньшую рабочего хода привода.
Выполнение катушки выступающей над прилегающими к ней торцами корпуса и сердечника, а якоря - с углублением со стороны катушки, имеющим размеры, превышающие габаритные размеры выступающей части катушки, позволяет увеличить потокосцепление катушки с якорем. Соответственно увеличивается магнитный поток в цепи «корпус - магнит - сердечник - воздушные зазоры - якорь» в исходном (выключенном) состоянии привода и за счет этого снижается энергопотребление на включение привода.
Введение второго якоря из магнитного материала, установленного на штоке со стороны постоянного магнита на расстоянии от первого якоря, превышающем высоту корпуса и сердечника (размер вдоль оси привода) на величину, не меньшую рабочего хода привода, позволяет обеспечить фиксацию штока в исходном (отключенном) состоянии в дополнение к подпружиниванию штока, либо при его частичном подпружинивании (когда подпружинивание штока имеет место только во включенном состоянии привода и на некоторой части рабочего хода привода в начале отключения, например, за счет пружин поджатая контактов выключателей или контакторов).
Полезная модель поясняется фигурами, где на фиг.1 показан общий вид электромагнитного привода в разрезе, на фиг.2 - привод с двумя якорями.
Электромагнитный привод содержит корпус 1 (фиг.1, 2) из магнитного материала и коаксиально расположенный в нем сердечник 2 из магнитного материала. В зазоре между корпусом и сердечником со стороны одного из их торцов (снизу на фигурах) установлен постоянный магнит 3 (кольцевой или из отдельных элементов, расположенных по окружности) с намагниченностью, перпендикулярной оси привода, а с другой стороны - катушка 4. Корпус 1 и сердечник 2 могут быть соединены между собой фланцем со стороны магнита, либо путем заливки деталей высыхающим или твердеющим немагнитным составом, либо радиальными элементами крепления (на фигурах не показаны). В сердечнике 2 с возможностью линейного перемещения вдоль оси привода установлен шток 5, подпружиненный в направлении от магнита к катушке (направление подпружинивания на фигуре показано стрелкой). На штоке со стороны катушки установлен якорь 6 из магнитного материала.
Катушка 4 выполнена выступающей над торцами корпуса 1 и сердечника 2, а в якоре 6 выполнено углубление 7, размеры которого превышают габаритные размеры выступающей части катушки (глубина больше длины выступающей части катушки, внутренний диаметр меньше, а внешний - больше соответствующих диаметров катушки).
На штоке привода со стороны постоянного магнита может быть дополнительно установлен второй якорь 8 (фиг.2) из магнитного материала, причем расстояние между поверхностями якорей 6 и 8 со стороны торцов корпуса 1 и сердечника 2 превышает высоту последних на величину, не меньшую рабочего хода δ привода.
Устройство работает следующим образом. В исходном (отключенном) состоянии привода подпружиненный шток 5 (фиг.1) с якорем 6 находится в верхнем положении, фиксируемый упором (на фигуре не показан). Сила подпружинивания штока выбрана большей, чем сила притяжения якоря постоянным магнитом 3 при заданном воздушном зазоре (рабочем ходе якоря) δ между торцами якоря 6, корпуса 1 и сердечника 2. Для включения привода в катушку 4 подается ток такого направления, при котором создаваемое катушкой магнитное поле в зазоре между якорем 6, корпусом 1 и сердечником 2 совпадает с магнитным полем от магнита 3. При заданной величине тока (тока включения) сила притяжения якоря становится больше силы подпружинивания и шток с якорем перемещаются вниз до соприкосновения якоря с корпусом и сердечником. При выключении тока шток 5 с якорем 6 остаются в нижнем (включенном) положении за счет превышения силы притяжения магнита над силой подпружинивания штока.
Для приведения привода в исходное состояние в катушку 4 подается ток обратного, по сравнению с током включения, направления. При этом магнитное поле катушки 4 в зоне контакта якоря 6 с корпусом 1 и сердечником 2 направлено встречно по отношению к магнитному полю магнита 3, в результате чего при определенном токе (ампервитках) выключения подпружиненный шток 5 с якорем 6 перемещаются в исходное (верхнее) положение.
Благодаря выполнению катушки 4 выступающей над торцами корпуса и сердечника, а якоря 6 - с соответствующим углублением 7 существенно снижаются ампервитки включения привода по сравнению с устройством, имеющим плоский якорь. Это обусловлено тем, что, при прочих равных условиях, якорь с П-образным сечением имеет лучшее потокосцепление с катушкой и, соответственно, лучше намагничивается и притягивается к корпусу с сердечником. В результате, снижается энергопотребление привода, упрощается блок управления и коммутации, снижается его вес и стоимость.
Применение дополнительного якоря 8 из магнитного материала (фиг.2), установленного на штоке 5, позволяет обеспечить фиксацию штока в исходном (отключенном) состоянии в устройствах (выключателях, контакторах и т.п.), в которых подпружинивание штока, связанного с подвижным контактом, осуществляется лишь на части рабочего хода штока (после замыкания контактов при включении и до размыкания контактов при выключении привода). В этом случае дополнительный якорь 8 выполняет роль возвратной пружины, приводящей шток 5 в исходное (верхнее на фиг.2) состояние и обеспечивающей фиксацию его в этом положении. Сила удержания штока с якорями в исходном положении может регулироваться за счет выбора толщины и диаметра дополнительного якоря, а также за счет введения немагнитной прокладки необходимой толщины между ним и корпусом с сердечником. При подаче в катушку 4 тока включения привода магнитное поле катушки в зоне контакта дополнительного якоря 8 с корпусом 1 и сердечником 2 направлено встречно по отношению к магнитному полю магнита 3, в результате чего сила притяжения первого якоря 6 становится больше силы удержания якоря 8 и шток с якорями начинает перемещаться во включенное положение (вниз на фиг.2).
Источники информации
1. Патент RU 2178215 C1, H01H 33/38, H01F 7/06, 10.01.2002.
2. Патент RU 2312420 C2, H01H 33/42, 10.12.2007 (прототип).