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], 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 известного устройства является большое энергопотребление на включение привода при заданных величине хода, силы подпружинивания и силы притяжения якоря со стороны постоянного магнита в исходном положении.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели техническим решением (прототипом) является электромагнитный привод [2], содержащий 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. Последняя 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.
Недостатком устройства-прототипа являются низкие тяговые характеристики привода и сила удержания якоря во включенном положении, обусловленные нерациональным выполнением углубления якоря и малым поперечным сечением катушки, а также низкие скорости переключения (движения якоря) привода из-за большой массы якоря.
Предлагаемая полезная модель направлена на снижение массы якоря, улучшение тяговых характеристик привода, увеличение силы удержания якоря во включенном положении и скорости переключения привода.
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, последняя 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, согласно предлагаемому техническому решению, отношение площади контактной кольцевой поверхности якоря со стороны корпуса к площади контактной кольцевой поверхности якоря со стороны сердечника выбрано из диапазона 0,9-1,8. При этом толщина кольцевой перемычки якоря может быть выполнена уменьшающейся с увеличением диаметра, причем толщина перемычки со стороны сердечника выбрана равной или большей ширины контактной поверхности якоря со стороны сердечника, а толщина перемычки со стороны корпуса - равной или большей ширины контактной поверхности якоря со стороны корпуса. Кроме того, диаметры кольцевых поверхностей корпуса со стороны якоря могут быть выполнены равными соответствующим диаметрам контактных кольцевых поверхностей якоря.
Выбор отношения площадей контактных кольцевых поверхностей якоря со стороны корпуса и сердечника из диапазона 0,9-1,8 позволяет получить тяговые характеристики привода и силу удержания якоря во включенном положении вблизи максимальных значений, а также максимально облегчить якорь и увеличить скорость переключения (движения якоря) привода. В силу несимметричности магнитного потока, замыкающегося по цепи «магнит-корпус-якорь-сердечник-магнит», и наличия потоков рассеяния по воздуху оптимальное значение соотношения указанных выше площадей кольцевых поверхностей корпуса и якоря, сердечника и якоря не равно 1, а смещено в сторону больших значений. Проведенные нами экспериментальные исследования привода показали, что при неизменных значениях диаметра сердечника и внешнего диаметра корпуса привода данное отношение лежит в пределах 0,9-1,8. При отношении площадей менее 0,9 резко снижается сила удержания якоря во включенном положении, а при отношении, большем 1,8, наряду с заметным снижением силы удержания якоря уменьшается также площадь поперечного сечения катушки, увеличивается масса якоря и, соответственно, снижаются энергетические характеристики и скорость переключения привода.
Выполнение кольцевой перемычки якоря с толщиной, уменьшающейся с увеличением диаметра, обеспечивает дополнительное уменьшение веса якоря и увеличение скорости переключения привода.
Выполнение диаметров кольцевых поверхностей корпуса со стороны якоря равными соответствующим диаметрам контактных кольцевых поверхностей якоря дает возможность увеличить площадь поперечного сечения катушки без изменения ее высоты и улучшить энергетические характеристики привода.
Полезная модель поясняется фигурами, где на фиг.1 показан общий вид электромагнитного привода в разрезе, на фиг.2 - якорь с указанием диаметров его контактных кольцевых поверхностей, на фиг.3 - электромагнитный привод с равными по ширине контактными кольцевыми поверхностями якоря и корпуса, якоря и сердечника.
Электромагнитный привод содержит корпус 1 (фиг.1, 3) 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 фиг.1 и 3) 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 фиг.1 и 3 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 фиг.1, 3 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).
1
2
3
4
4
4
3
4
2
1
2
Отношение площади контактной кольцевой поверхности якоря 6 (фиг.2) со стороны корпуса 1, образованной окружностями диаметром D и D, к площади контактной кольцевой поверхности якоря со стороны сердечника 2, образованной окружностями диаметром D и D (где D - диаметр штока 5, фиг.1), выбрано из диапазона 0,9-1,8. Толщина кольцевой перемычки 8 (фиг.2) якоря может быть выполнена уменьшающейся с увеличением диаметра, причем толщина перемычки со стороны сердечника (на уровне диаметра D) выбрана равной или большей ширины контактной кольцевой поверхности якоря со стороны сердечника, т.е. 0,5(D-D), а толщина перемычки со стороны корпуса (на уровне диаметра D) - равной или большей ширины контактной поверхности якоря со стороны корпуса, т.е. 0,5(D-D). Диаметры кольцевых поверхностей корпуса 1 со стороны якоря 6 могут быть выполнены равными соответствующим диаметрам контактных кольцевых поверхностей якоря (фиг.3).
Устройство работает следующим образом. В исходном (отключенном) состоянии привода подпружиненный шток 5 (фиг.1, 3) с якорем 6 находится в верхнем положении, фиксируемый упором (на фигуре не показан). При этом часть катушки 3, выступающая над торцом корпуса 1, находится в углублении 7 якоря. 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 6 становится больше силы подпружинивания и шток 5 с якорем перемещаются вниз до соприкосновения якоря с корпусом 1 и сердечником 2. При выключении тока шток 5 с якорем 6 остаются в нижнем (включенном) положении за счет превышения силы притяжения магнита (удержания якоря) 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 выбору отношения площадей контактных кольцевых поверхностей якоря со стороны корпуса и сердечника из диапазона 0,9-1,8 удается получить более равномерное распределение и большую концентрацию магнитного потока в зазоре δ (фиг.1, 3) между торцами якоря, корпуса и сердечника, что увеличивает силу притяжения якоря к корпусу и сердечнику при включении привода (улучшает его тяговые характеристики), а также силу удержания якоря во включенном положении. Кроме того, это обеспечивает, наряду с уменьшающейся по диаметру толщиной кольцевой перемычки якоря, минимизацию веса якоря и, соответственно, увеличение скорости переключения привода.
Источники информации
1. Патент RU 2312420 С2, Н01Н 33/42, 27.12.2005.
2. Патент RU 88200 U1, H01F 7/122, 29.06.2009 (прототип).