ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТ

Техническое решение относится к электротехнике и может найти применение в качестве приводов электромагнитных коммутационных аппаратов.
Известен поляризованный электромагнит, используемый в реле ПС-20 [1], состоящий из магнитопровода, постоянных магнитов, якоря и катушки. В данной конструкции, в зависимости от полярности включаемого к катушке напряжения питания, якорь электромагнита занимает одно из двух возможных положений и остается в этом положении после отключения напряжения питания. Якорь возвращается в исходное состояние при включении к катушке напряжения обратной полярности.
Недостатком рассматриваемого электромагнита является его малая чувствительность. Указанный недостаток вызван тем, что магнитный поток, возбуждаемый в магнитопроводе под действием тока, протекающего по катушке, проходит через постоянные магниты, обладающие низкой магнитной проницаемостью.
П
П1
П2
П1
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является поляризованный электромагнит [2] (схематическое изображение на фиг.1). Поляризованный электромагнит содержит магнитопровод 1, выполненный в виде U-образной скобы (ярма), несущий на себе в расщепленной части сердечник 2 с катушкой 3 и на свободной стороне - постоянный магнит 5, подвижный якорь 4, который вращается на призме 15 и пружину 7. В этой конструкции электромагнита якорь 4 предполагается крепить в месте его вращения с помощью упора, прижимающего якорь 4 к призме 15 и устанавливаемого с внешней стороны якоря 4 в его изгибе, и направляющих, прижимающих боковые поверхности якоря 4. В исходном состоянии якорь 4 находится в разомкнутом положении. При этом магнитный поток Ф постоянного магнита 5 разделяется на две части: магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитной цепи: северный полюс магнита 5 - воздушный зазор между постоянным магнитом 5 и якорем 4 - якорь 4 - воздушный зазор между якорем 4 и сердечником 2 - сердечник 2 -свободная сторона расщепленной части магнитопровода 1 - южный полюс постоянного магнита 5. и магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитной цепи: северный полюс постоянного магнита 5 - воздушный зазор между постоянным магнитом 5 и якорем 4 - якорь 4 - воздушный зазор между якорем 4 и призмой 15 (нерасщепленной частью U-образного магнитопровода 1) - магнитопровод 1 - южный полюс постоянного магнита 5. Составляющая потока Ф обуславливает силу притяжения якоря 4 к сердечнику 2. Однако эта сила меньше противодействующей силы, прикладываемой к якорю 4 за счет возвратной пружины 7, и якорь 4 не притягивается к сердечнику 2.
Р
П1
П2
П1
П
П1
При включении к катушке 3 электромагнита напряжения определенной полярности, создающего магнитный поток Ф, совпадающий по направлению в воздушном зазоре между якорем 4 и сердечником 2 с потоком Ф, якорь 4 электромагнита, преодолевая противодействующую силу, притягивается к сердечнику 2. В этом положении составляющая магнитного потока Ф значительно меньше значения потока Ф, поскольку величина конечного зазора между сердечником 2 и притянутым якорем 4 значительно меньше воздушного зазора между якорем 4 и призмой 15 (нерасщепленной частью U-образного магнитопровода), и поляризующий поток Ф практически весь проходит от северного полюса постоянного магнита 5 через якорь 4, сердечник 2, свободную сторону расщепленной части магнитопровода 1 к южному полюсу постоянного магнита 5, значения потока Ф и усилия притяжения якоря 4 к сердечнику 2 возрастают по отношению к их значениям в исходном состоянии, в связи с чем при отключении напряжения якорь 4 электромагнита остается в притянутом положении. При включении к катушке 3 напряжения противоположной полярности якорь 4 электромагнита возвращается в исходное состояние.
Недостатками конструкции данного электромагнита являются:
П1
- недостаточная устойчивость к механическим воздействиям из-за наличия силы притяжения якоря к сердечнику в исходном состоянии якоря за счет потока Ф;
- недостаточная чувствительность из-за наличия значительного нерабочего воздушного зазора между якорем и призмой;
- сложность предполагаемого устройства крепления якоря на призме.
Указанные недостатки снижают эффективность данного электромагнита и сужают область его реального применения.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение устойчивости к механическим воздействиям, повышение эффективности и чувствительности электромагнита, упрощение конструкции крепления якоря.
Технический результат достигается тем, что в поляризованном электромагните, содержащем магнитопровод, сердечник с катушкой, постоянный магнит, якорь, пружину, введен дополнительный постоянный магнит, причем оба постоянных магнита расположены перпендикулярно к сердечнику с двух его сторон, соприкасаясь с сердечником одноименными полюсами, а их противоположные полюсы соединены между собой магнитопроводящей скобой, охватывающей якорь; введен ограничитель утечки поляризующего магнитного потока, выполненный в виде прокладки из немагнитного материала, расположенной между сердечником и магнитопроводом; выполнены пазы с двух сторон якоря; введено устройство фиксации положения якоря, выполненное в виде пластины, которая одной стороной входит в пазы якоря, а другой соединена с магнитопроводом элементами крепления; на сердечнике выполнены пазы перпендикулярно его оси шириной, соразмерной с высотой постоянных магнитов.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что расположение в электромагните двух постоянных магнитов перпендикулярно к сердечнику с двух его сторон, соприкасаясь с сердечником одноименными полюсами, противоположные
П
полюсы которых соединены между собой магнитопроводящей скобой, позволяет исключить силу притяжения якоря к сердечнику в исходном состоянии якоря, получить силу притяжения якоря к охватывающей его скобе и тем самым значительно повысить устойчивость электромагнита к воздействию внешних механических факторов в разомкнутом состоянии. Наличие ограничителя утечки поляризующего магнитного потока между сердечником и магнитопроводом, значительно снижающего составляющую магнитного потока, не проходящего через воздушный зазор между якорем и сердечником, в притянутом положении, позволяет поляризующему потоку Ф практически полностью проходить от северного полюса постоянного магнита через скобу, якорь, сердечник к южному полюсу постоянного магнита, и тем самым повысить эффективность электромагнита. Выполнение с двух сторон якоря пазов обеспечивает взаимодействие якоря с устройством фиксации его положения. Наличие устройства фиксации положения якоря, выполненного в виде магнитопроводящей пластины, одной стороной входящей в пазы якоря, а другой - соединенной с магнитопроводом, перекрывающей нерабочий воздушный зазор между якорем и магнитопроводом, позволяет повысить чувствительность электромагнита, и производить регулировку прилегания якоря к сердечнику. Выполнение устройства фиксации положения якоря из двух пластин с соосно расположенными выемками, вставляемых в пазы якоря и охватывающих его, надежно фиксирующих якорь в месте его вращения, позволяет исключить пружину, прижимающую якорь к пластинам, и тем самым упростить устройство фиксации положения якоря. Выполнение пазов в сердечнике перпендикулярно его оси шириной, соразмерной с высотой постоянных магнитов, позволяет получить надежное крепление постоянных магнитов, обеспечить гарантированный воздушный зазор в притянутом положении между якорем и постоянными магнитами, и предотвратить их смещение к якорю.
Работа предлагаемого поляризованного электромагнита поясняется чертежами, где
на фиг.1 - общий вид поляризованного электромагнита прототипа;
фиг.2 - устройство фиксации положения якоря из одной пластины;
фиг.3 - устройство фиксации положения якоря из двух пластин;
фиг.4 - общий вид предлагаемого поляризованного электромагнита в разомкнутом состоянии;
фиг.5 - вид слева предлагаемого поляризованного электромагнита в разомкнутом состоянии;
фиг.6 - общий вид предлагаемого поляризованного электромагнита в замкнутом состоянии;
фиг.7 - вид слева предлагаемого поляризованного электромагнита в замкнутом состоянии;
где приняты следующие обозначения:
1 - магнитопровод;
9 - устройство фиксации положения якоря;
2 - сердечник;
10 - ограничитель утечки поляризующего
3 - катушка;
магнитного потока;
4 - якорь;
11 - пазы сердечника;
5, 6 - постоянные магниты;
12 - пазы якоря;
7 - пружина;
13, 14 - пластины.
8 - магнитопроводящая скоба;
Постоянные магниты 5, 6 расположены перпендикулярно к сердечнику 2 и вставляются в пазы 11 сердечника 2 одноименными полюсами с двух его сторон, а их противоположные полюсы соединены между собой магнитопроводящей скобой 8, охватывающей якорь 4. Пружина 7 прижимает якорь 4 к устройству фиксации 9 положения якоря 4. выполненного в виде пластины (фиг.2), которая одной стороной входит в пазы 12 якоря 4, фиксируя его, а другой - соединена с магнитопроводом 1 элементами крепления. Устройство фиксации 9 положения якоря 4 может быть выполнено в виде двух пластин 13, 14 (фиг.3) с соосно расположенными выемками, вставленными в пазы 12 якоря 4 и надежно фиксирующими якорь 4 в месте его вращения.
П
П1
П2
П1
П2
П1
П2
П1
П2
В исходном состоянии якорь 4 электромагнита разомкнут. Характеристики обоих постоянных магнитов 5 и 6 одинаковы, что позволяет рассматривать влияние каждого из них на работу электромагнита отдельно. Рассмотрим магнитные потоки, создаваемые одним из них, например, левым постоянным магнитом 5 по фиг.5. Поток Ф, создавае-мый этим постоянным магнитом, состоит из двух составляющих Ф и Ф. Составляющая Ф протекает по цепи: северный полюс постоянного магнита 5 - скоба 8 - воздушный зазор между скобой 8 и якорем 4 - якорь 4 - устройство фиксации 9 - магнитопровод 1 -ограничитель утечки 10 - сердечник 2 - южный полюс постоянного магнита 5 (фиг.4). Составляющая Ф протекает по цепи: северный полюс постоянного магнита 5 - скоба 8 -воздушный зазор между скобой 8 и якорем 4 - якорь 4 - воздушный зазор между якорем 4 и сердечником 2 - сердечник 2 - южный полюс постоянного магнита 5 (фиг.5). На якорь 4 действуют две противоположно направленные силы: в сторону скобы 8 от суммы составляющих Ф и Ф и в сторону сердечника 2 от составляющей Фп2. Поскольку в данном состоянии электромагнита воздушный зазор между скобой 8 и якорем 4 и толщина ограничителя утечки 10 значительно меньше воздушного зазора между якорем 4 и сердечником 2, значение Ф заметно превышает значение Ф. По этой причине результирующая сила, действующая на якорь 4, направ-лена в сторону скобы 8, и якорь 4, в отличие от якоря прототипа, надежно удерживается в исходном состоянии, в том числе при воздействии механических факторов. Следует отметить, что заявляемый поляризованный электромагнит, также как и рассмотренный выше прототип, имеет ограничитель хода якоря, который на фиг.4...7 не показан. В предлагаемом поляризованном электромагните ограничитель хода якоря дополнительно предотвращает касание якоря 4 к скобе 8, обеспечивая между ними воздушный зазор определенной величины.
Р
П2
П
О
П2
При включении к катушке 3 электромагнита напряжения с полярностью, создающей рабочий магнитный поток Ф (фиг.4 и 5), протекающий по цепи: сердечник 2 - ограничитель утечки 10 - магнитопровод 1 - устройство фиксации 9 - якорь 4 - воздушный зазор между якорем 4 и сердечником 2 - сердечник 2 и совпадающий по направлению в указанном воздушном зазоре с составляющей потока Ф, якорь 4 притягивается к сердечнику 2 (фиг.6 и 7). В этом состоянии якоря 4 из-за весьма незначительного воздушного зазора между якорем 4 и сердечником 2, значения потока Ф и создаваемого им усилия притяжения якоря 4 к сердечнику 2 резко возрастают, поэтому при отключении напряжения якорь 4 электромагнита остается в притянутом положении. Для возврата якоря 4 в исходное состояние к катушке 3 необходимо включить напряжение обратной полярности по отношению к напряжению, вызвавшему его срабатывание. При этом магнитный поток Ф (фиг.6 и 7), созданный катушкой 3, направлен против Ф, поэтому усилие притяжения якоря 4 к сердечнику 2 резко снижается, и якорь 4 возвращается в исходное состояние (фиг.4 и 5).
В целях упрощения описания процессов, происходящих в предлагаемом электромагните, как было отмечено ранее, рассматривалось влияние только левого постоянного магнита 5 (по фиг.5 и 7). Влияние второго постоянного магнита 6 совершенно аналогично. Под действием двух постоянных магнитов 5 и 6 величины магнитных потоков и создаваемых ими сил притяжения удваиваются.
В случае применения заявляемого решения в качестве привода электромеханического реле, используются две катушки - включающая и отключающая, устанавливаемые на сердечник 2. Применение заявляемого электромагнита позволило создать двухпозиционное электромагнитное реле с количеством контактов до 8 с номинальным током контактов 6, 3 А, предназначенное для применения в устройствах релейной защиты и противоаварийной автоматики энергетических объектов. Благодаря техническим преимуществам этого электромагнита двухпозиционное реле создано на базе конструкции широко распространенного одностабильного электромагнитного реле с использованием минимального количества дополнительных деталей, что позволило резко сократить затраты по организации производства двухпозиционного реле. Заявляемое решение планируется использовать с IV кв. 2004 г.
Источники известности:
1. Гордон А.В., Сливинская А.Г. «Поляризованные электромагниты», М. - Л., издательство «Энергия», 1964 г.
2. АС СССР №1261025 Н 01 Н 51/22, бюл. №36 от 30.09.86 г.
3. АС СССР №259171 H 01 H 45/02, БИ №2 от 1970 г.