ЭЛЕКТРОМАГНИТ

Техническое решение относится к электромагнитам и может быть использовано в гидравлических управляющих устройствах.
Известен пропорциональный электромагнит по патенту на полезную модель RU 2463 (опубл. 16.07.1996), который включает внешний магнитопровод, катушку возбуждения, якорь, внутренний магнитопровод, состоящий из двух магнитных частей и одной немагнитной. Общими признаками с заявленной полезной моделью является наличие якоря, магнитопровода (аналога внутренней расточки статора), состоящего из двух частей – магнитной (магнитный участок) и немагнитной (немагнитная вставка).Недостатком данного электромагнита является недостаточные тяговые показатели якоря, а также сложность его изготовления, т.к. якорь имеет кольцевую канавку с поперечным сечением, уменьшающимся по мере удаления от торца якоря, ограниченную концентрическими периферийной конической и внутренней цилиндрической поверхностями.
Известен электромагнит постоянного тока по патенту на изобретение RU2111573 (опубл. 20.05.1998), с двумя рабочими магнитными зазорами, содержащий корпус с расположенной в нем катушкой управления, опорный фланец, втяжной якорь. Общим с заявленным электромагнитом является наличие якоря, немагнитного зазора между внутренней кромкой и стопом (немагнитная вставка).
Известен электромагнит с низким коэффициентом трения по патенту US 4518938, принятый в качестве прототипа, (опубл. 01.03.1984), который содержит обмотку, якорь, две магнитные втулки, разделенные полым пространством. Общими признаками электромагнита по патенту US 4518938 с заявленным является наличие якоря, магнитной втулки (магнитный участок), полое пространство (немагнитная вставка) в магнитопроводе.
Основным недостатком данных аналогов является невысокая движущая сила якоря электромагнита.
Техническим результатом заявленного технического решения является увеличение движущей силы якоря электромагнита.
Технический результат достигается за счет того, что электромагнит содержит якорь со штоком, катушку статора, образующую магнитопровод статора, на внешней расточке катушки статора установлена обмотка, в стенке расточки катушки статора, образованной ее внешней и внутренней расточками, размещена немагнитная вставка, а также имеется магнитный участок магнитопровода катушки статора, находящийся между немагнитной вставкой и внутренним торцом фланца катушки статора со стороны, противоположной штоку, причем площадь цилиндрической поверхности, образованной внутренней расточкой катушки статора на магнитном участке, составляет от 1,8 до 2,6 площади торцевой поверхности кольца, образованной внутренней и внешней расточками катушки статора.
Фиг. 1 – вид электромагнита в разрезе.
Фиг.2 – силовые линии и распределение индукции магнитного поля в элементах электромагнита.
Фиг. 3 - график зависимости движущей силы якоря электромагнита от длины магнитного участка.
На фигурах обозначены:
1 - якорь;
2 – шток;
3 – катушка статора;
4 – внешняя расточка катушки статора (полость для обмотки);
5 – обмотка;
6 –внутренняя расточка катушки статора (полость для якоря);
7 – немагнитная вставка;
8 – магнитный участок (L);
9 - внутренний торец фланца катушки статора;
10 – рабочий зазор.
1
2
Электромагнит (фиг. 1) содержит якорь 1 со штоком 2, катушку 3 статора, образующую магнитопровод статора, на внешней расточке 4 катушки статора установлена обмотка 5, в стенке расточки катушки статора, образованной ее внешней 4 и внутренней 6 расточками, размещена немагнитная вставка 7, а также имеется магнитный участок 8 магнитопровода катушки статора длиной L, находящийся между немагнитной вставкой 7 и внутренним торцом 9 фланца катушки статора со стороны противоположной штоку 2, причем площадь (S) цилиндрической поверхности, образованной внутренней 6 расточкой катушки статора на магнитном участке 8, составляет от 1,8 до 2,6 площади (S) торцевой поверхности кольца, образованной внутренней 6 и внешней 4 расточками катушки статора.
1
2
При начале движении якоря 1 по внутренней расточке 6 магнитопровода катушки статора 3 от начального (крайнего левого) до конечного (крайнего правого) положения когда рабочий зазор 10 максимальный, необходимо обеспечить максимально возможную индукцию для обеспечения максимальной движущей силы якоря 1 в момент страгивания. На фиг. 2 показана картина распределения индукции магнитного поля в магнитной системе электромагнита, в том числе в районе магнитного участка 8. При этом за счет соотношения S = (1,8 ÷ 2,6)⋅Sв зоне магнитного участка 8 происходит увеличение индукции магнитного поля в рабочем зазоре 10 (на фиг.2 линии индукции стоят более плотно), что положительно влияет на увеличение движущей силы якоря 1.
1
2
1
Достижение технического результата подтверждается результатами моделирования. В процессе математического моделирования магнитной системы электромагнита было доказано, что площадь S нецелесообразно делать больше (1,8 ÷ 2,6)⋅S, т.к. это не приводит к дальнейшему росту индукции магнитного поля в рабочем зазоре 10 и, следовательно, к росту движущей силы. Если S выполнить меньше, чем следует из соотношения (1,8 ч 2,6) S2, то индукция магнитного поля в рабочем зазоре 10 снижается и, следовательно, снижается сила, действующая на якорь 1.
Математическое моделирование магнитной системы электромагнита было выполнено в программе «ELCUT». Математическая модель в пакете «ELCUT» позволяет получать картину распределения индукции магнитного поля в элементах электромагнита при заданной намагничивающей силе обмотки.
2
1
В результате проверки технического результата при помощи математического моделирования определено максимальное значения движущей силы F. При этом для моделирования выбраны конкретные значения диаметра внешней 4 расточки катушки статора d= 35 мм, и диаметра внутренней 6 расточки катушки статора d= 30 мм. Поскольку максимальное значение движущей силы F зависит от величины индукции, а это, в свою очередь, зависит от соотношения площадей поверхностей, то результаты моделирования с конкретными диаметрами могут быть распространены и на другие случаи с данным соотношением площадей S1/S2.
1
2
1
1
2
2
При моделировании осуществлялось построение функции F=f(S/S), но поскольку площадь (S) цилиндрической поверхности, образованной внутренней 6 расточкой катушки статора на магнитном участке,зависит от длины (L) магнитного участка 8 (S=f(L)), а площадь (S) торцевой поверхности кольца, образованной внутренней 6 и внешней 4 расточками катушки статора 3, постоянна (S=const), то функция движущей силы может быть записана как F=f(L).
Площади определяют следующим образом:
1
1
S=πd⋅L,
где  – диаметр внутренней расточки 6 катушки статора 3;
L – длина магнитного участка 8 до немагнитной вставки 7.
2
2
1
2
2
S= (d – d),
где  – диаметр внешней расточки 4 катушки статора.
2
2
2
Если диаметр внешней расточки 4 катушки статора (d) принимаем 35 мм, то площадь (S) торцевой поверхности кольца, образованной внутренней и внешней расточками катушки статора, равна 255 мм.
Результаты моделирования с изменяющейся L приведены в таблице.
По значениям длины магнитного участка 8 и движущей силы якоря 1 построен график зависимости длины магнитного участка (L) от движущей силы якоря (F) электромагнита (фиг. 3).
1
2
Из таблицы и графика (фиг. 3) видно, что максимальная движущая сила якоря 1 электромагнита наблюдается при соотношении площадей S/S от 1,8 до 2,6.
Результаты математического моделирования подтверждают достижение технического результата в полезной модели.