БИСТАБИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД
BISTABLE ELECTROMAGNETIC DRIVE

Изобретение относится к бистабильному электромагнитному приводу с поляризованной параллельной цепью, в котором между внешними стержнями U-образного ярма из мягкой стали расположен и выполнен за одно целое с ними плоский постоянный магнит, который содержит центральный стержень из мягкой стали и который наводит магнитный поток на качающийся якорь, опирающийся на центральный стержень, а на каждом внешнем стержне расположены обмотки возбуждения с раздельным управлением, выполненные с возможностью подачи поворотных импульсов для поворота качающегося якоря из одного самоподдерживающегося посредством постоянного магнита положения в другое. В описании полезной модели DE 202004012292 U1 рассмотрен аналогичный типовой электромагнитный привод.
В выключенном состоянии бистабильные биполярные электромагнитные приводы могут принимать два фиксированных поворотных положения. Зачастую в указанных приводах имеются две параллельных магнитных цепи, состоящие из компонентов, выполненных из мягкой стали, с возможностью наведения магнитного потока; одной или нескольких обмоток электромагнитного возбуждения и, по меньшей мере, одного постоянного магнита для создания в одном или нескольких воздушных зазорах усилий для якоря магнита в двух магнитных цепях, обеспечивающих его установку при выключенном двигателе в два фиксированных положения. Поворот якоря магнита по существу может быть определен взаимодействием между потоком, образованным обмотками возбуждения, и потоками, наведенными постоянным магнитом, проходящими через элементы параллельных магнитных цепей, выполненные из магнитомягкого материала.
Из вышеупомянутого прототипа DE 202004012292 известен (плоский) качающийся якорь из антифрикционного материала, установленный на центральном стержне с возможностью приведения в действие клапана двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающего изменение заряда. Постоянный магнит, выполненный за одно целое с центральным стержнем, создает удерживающее усилие качающегося якоря в одном из двух поворотных положений в отсутствие электрического тока. Качающийся якорь выполнен с возможностью поочередного поворота при попеременном возбуждении обеих обмоток при изменении полярности, при этом за счет суммирования второго потока, наведенного постоянным магнитом в открытом воздушном зазоре якоря, и однонаправленного, в каждом случае, электромагнитного потока в открытом зазоре якоря, его плечо, соответствующее возбужденной обмотке, притягивается. Поворот происходит в направлении, противоположном действию удерживающего усилия магнитного потока, наведенного постоянным магнитом, проходящего через обесточенную параллельную цепь с закрытым воздушным зазором якоря и удерживающего до сего времени качающийся якорь в фиксированном положении.
На рассмотренном принципе основаны многие известные электромагнитные приводы систем с реверсивной обмоткой возбуждения или двумя обмотками возбуждения с раздельным управлением, например, приводы, конструкция которых раскрыта в патентах DE 6751327 DE 1938723 U1, DE 4314715A1, DE 69603026 T2, EP 0197391 B2. Во всех случаях обмотка возбуждения в такой параллельной цепи возбуждена со стороны, к которой должен быть повернут качающийся якорь, при этом электромагнитный поток направлен одинаково со вторым потоком, образованным постоянным магнитом. Однако в каждом случае необходимо преодолевать удерживающее усилие, прикладываемое потоком, образованным постоянным магнитом, к притянутому плечу якоря, что требует энергичных усилий.
Далее, известны (см., например DE 3323481 A1) поляризованные бистабильные реле с магнитной цепью с одним замкнутым контуром и тяговым устройством для вращения Н-образного якоря, содержащим постоянный магнит и выполненным с возможностью поворота в два положения посредством магнитного поля обмотки возбуждения. Переключение реле может быть выполнено посредством изменения полярности магнитного поля путем приложения в каждом случае импульса напряжения таким образом, что тяговое устройство Н-образного якоря будет повернуто в другое соответствующее положение. Но и в этом случае может быть образован электромагнитный поток в поворачиваемом тяговом устройстве Н-образного якоря.
Задача настоящего изобретения состоит в создании энергосберегающего бистабильного электромагнитного привода, конструкция которого должна быть простой, легкой, малообъемной и иметь высокую плотность коммутируемой мощности, т.е. рассчитана на использование в бистабильных реле с высокой коммутационной способностью.
Согласно изобретению поставленная задача может быть решена за счет отличительных свойств, рассмотренных в п.1 формулы изобретения. Преимущества других вариантов реализации изобретения раскрыты во вспомогательных пунктах формулы. В частности, задача предпочтительного варианта реализации изобретения состоит в создании ассиметричного усилия поворота на основе одной и той же схемы магнитной цепи.
Электромагнитный привод согласно изобретению обеспечивает поворот качающегося якоря из одного положения в другое при малом потреблении энергии, что наиболее предпочтительно для якорей магнитов, которые должны отвечать строгим внешним общим условиям, касающимся места установки, рабочих мощности и усилия привода. В отличие от известных приводов, где действующие усилия противодействия, а следовательно, и усилия поворота могут быть созданы однонаправленными суммарными магнитными потоками, образованными постоянным магнитом и обмоткой возбуждения в открытом зазоре якоря того параллельной цепи, где расположена активная обмотка возбуждения, поток, образованный, согласно изобретению, постоянным магнитом, смещен от параллельной цепи, замкнутой на плече якоря, к другой параллельной цепи электромагнитным потоком, противоположно направленным потоку, образованному постоянным магнитом. Для этого импульс постоянного напряжения может быть приложен к обмотке возбуждения, включенной в параллельную цепь с закрытым воздушным зазором в якоре, таким образом, что электромагнитный поток противодействует потоку, образованному постоянным магнитом, направляя его в параллельную цепь с открытым воздушным зазором в якоре. Действие результирующего усилия, созданного постоянным магнитом, состоящего частично из усилия второго магнитного потока, образованного постоянным магнитом в открытом воздушном зазоре якоря, а частично из усилия противоположно направленного потока, наводимого постоянным магнитом, вызывает переключение качающегося якоря в другое фиксированное положение.
Необходимо отметить, что каждая из двух параллельных магнитных цепей преимущественно имеет очень низкое магнитное сопротивление в каждом случае, когда воздушный зазор якоря закрыт, поскольку постоянный магнит, расположенный в центральном стержне, выполнен крайне плоским за счет своей высокой коэрцитивности и высокой остаточной магнитной индукции, что и служит причиной очень низкого магнитного сопротивления. U-образное ярмо с двумя внешними стержнями выполнено цельным, что дополнительно уменьшает магнитное сопротивление по сравнению с известными устройствами с составным U-образным ярмом. Трение качения повышает эффективность работы подшипника качающегося якоря на металлических поверхностях.
Более подробно изобретение будет рассмотрено на основе примера варианта осуществления изобретения и прилагаемых чертежей, где показаны:
на Фиг.1-3 рабочий цикл электромагнитного привода согласно изобретению,
на Фиг.4 электромагнитный привод в рабочем виде
на Фиг.5 перспективное изображение якоря магнита, а
на Фиг.6 и 7 вариант с асимметричным созданием усилия переключения.
На Фиг.1-3 схематично показан рабочий цикл электромагнитного привода. Привод имеет несущую часть, выполненную в виде U-образного ярма 1 из мягкой стали с раздельно управляемыми обмотками возбуждения 4, 5, размещенными на внешних стержнях 2,3 ярма. Крайне плоский, но сильный постоянный магнит 6 поддерживает центральный стержень 7 из мягкой стали. Таким образом, может быть сформирован Е-образный сердечник электромагнита. Качающийся якорь 8, малоизогнутый в виде буквы V, опирается на центральный стержень 7. Е-образный магнитный сердечник вместе с качающимся якорем 8, отходящим от центрального стержня 7, могут служить параллельной магнитной цепью с воздушными зазорами якоря. На одном конце качающегося якоря 8 расположен исполнительный элемент 9 контактной системы, например биполярного реле. В положении качающегося якоря 8, показанном на Фиг.1 и 2, поток 10, наведенный постоянным магнитом, проходит по постоянному магниту 6, центральному стержню 7 из мягкой стали, левому плечу качающегося якоря 8, левому центральному стержню 2 из мягкой стали, ярму 1 и обратно к постоянному магниту 6, образуя левую параллельную цепь. Удерживающее усилие постоянного магнита действует на левое плечо качающегося якоря 8. По правой параллельной цепи протекает второй поток 11, наведенный постоянным магнитом, который стремится уменьшить воздушный зазор 12 между правым плечом якоря 6 и левым внешним стержнем 3, т.е. притянуть правое плечо качающегося якоря 6. Однако этот второй магнитный поток 11, наведенный постоянным магнитом в направлении качающегося якоря 8, является более слабым, чем магнитный поток 11, наведенный постоянным магнитом на левой стороне электромагнитного привода, вследствие высокого магнитного сопротивления открытого воздушного зазора 12.
Теперь при подаче на левую обмотку возбуждения 4 импульса большой мощности (Фиг.2) в левом параллельной цепи током намагничивания на короткое время может быть образован электромагнитный поток 13. При совпадении направления намотки обмотки возбуждения 4 с полярностью импульса большой мощности электромагнитный поток 13 противоположен магнитному потоку 10, наведенному постоянным магнитом в левой параллельной цепи, как показано стрелками на Фиг.2. Магнитный поток 10 смещен от левой параллельной цепи к правой параллельной цепи. Магнитный поток 10 может быть коммутирован в правую параллельную цепь с возможностью магнитного притяжения правого плеча качающегося якоря 8, обеспечивая при этом поворот качающегося якоря 8 по часовой стрелке. На Фиг.3 показано второе фиксированное положение качающегося якоря 8. Теперь качающийся якорь 8 может быть зафиксирован во втором положении за счет магнитного потока 10, наведенного постоянным магнитом в правой цепи. В левой параллельной цепи постоянным магнитом может быть вновь наведен второй поток через открытый воздушный зазор 12 якоря. Поворот против часовой стрелки происходит аналогичным образом с помощью импульсно возбуждаемой обмотки возбуждения 5.
На Фиг.4 показан электромагнитный привод для бистабильного переключающего реле. U-образное ярмо 1 из мягкой стали с двумя стержнями 2, 3 выполнено цельным из штампованной, гнутой заготовки из мягкой стали. В центральной части ярма расположен постоянный магнит 6, содержащий, в свою очередь, центральный стержень 7 из мягкой стали. На стержнях 2, 3 ярма выполнены обмотки возбуждения 4, 5, опирающиеся на корпус изолятора 14. Обмотки возбуждения 4, 5 намотаны соответствующим образом в корпусе изолятора 14 и охватывают, по меньшей мере, один пленочный шарнир за один проход (поворот) с возможностью выведения наружу внутренних линейных концов. Четыре конца обмоток возбуждения 4, 5 припаяны к трем соединениям обмоток 15 с двумя внутренними концами обмоток с образованием центрального соединения (контакта). Таким образом, эти две обмотки возбуждения 4, 5 имеют раздельное управление, поскольку пропускают ток намагничивания в противоположных направлениях. Качающийся якорь 8 закреплен на центральном стержне 7 с помощью опорного ребра. Такая опора якоря имеет очень низкое трение и требует небольшой мощности переключения. Сила магнитного поля крайне тонкого, но сильного постоянного магнита 6 достаточна для удержания всех четырех ферромагнитных элементов 1, 6, 7 и 8 без необходимости раздельного удержания. Только качающийся якорь 8 может быть выполнен опирающимся сбоку на корпус изолятора 14, другие элементы должны удерживаться силой постоянного магнита 6. На одном плече качающегося якоря 8 размещен упругий исполнительный элемент 9, выполненный с возможностью воздействия на контактную систему переключающего реле через приводной элемент (не показан). Реле 8 выполнено с возможностью размыкания и замыкания своей первичной цепи в зависимости от положения качающегося якоря 8. Возможны, однако, и другие устройства для решения практически любой задачи управления.
Электромагнитный привод может быть легко изготовлен с меньшими размерами и, в частности, выполнен очень плоским. За счет небольшого количества элементов он является экономически эффективным и обладает малым весом. Переключение из одного положения в другое требует только наличия небольшой мощности (см. Фиг.1-3).
На Фиг.5 вновь показано перспективное изображение электромагнитного привода, изображенного на Фиг.4, в собранном виде, где позиции обозначены теми же цифрами, что и на предыдущих чертежах. Необходимо отметить, что исполнительный элемент 9, закрепленный на качающемся якоре 8, выполнен упругим и имеет две разные характеристики прогиба пружин под нагрузкой в зависимости от направления действующей силы. Для срабатывания при усилии предварительного сжатия >0 упругий исполнительный элемент 9 при установке на качающийся якорь 8 должен быть преимущественно выполнен предварительно напряженным.
Согласно другому варианту реализации изобретения (Фиг.6 и 7) асимметричное усилие поворота может быть создано с помощью одной и той же схемы параллельной магнитной цепи. Этот вариант конструкции обеспечивает возможность поворота качающегося якоря в одном направлении с более мощным усилием по сравнению с поворотом в другом направлении. Это может оказаться полезным, например, в случае реле с высокой коммутационной способностью для устранения приваривания замкнутого контакта реле либо для увеличения предварительного напряжения контакта реле. Согласно изобретению этого можно достичь с помощью асимметричного расположения обмоток возбуждения при сохранении симметрии механической конструкции электромагнитного привода.
Качающийся якорь (Фиг.6) должен быть притянут к правой параллельной цепи магнитного сердечника, а затем повернут. При решении этой задачи допускают, что качающийся якорь должен создать более мощное усилие, чем при повороте к другой стороне. Оба магнитных потока, наведенные постоянным магнитом, показаны сплошными черными стрелками. Потоки соответствуют потокам, наведенным постоянным магнитом и изображенным на Фиг.2, что означает, что магнитный поток, наведенный постоянным магнитом в левой замкнутой параллельной цепи, более мощный, чем второй поток, наведенный постоянным магнитом, в правой параллельной цепи, где должен быть преодолен воздушный зазор якоря. Для поворота качающегося якоря к обмоткам возбуждения 1 и 2 должен быть приложен импульс постоянного напряжения. В нижней части Фиг.6 показаны намотка обмоток возбуждения 1 и 2, направление их намотки и полярность импульса постоянного напряжения. Импульс постоянного напряжения образует в электромагнитном приводе электромагнитный поток; электромагнитный поток, показанный заостренными маленькими стрелками, замыкающий обе параллельных цепи, проходит по правому внешнему стержню однонаправленно со вторым потоком, наведенным постоянным магнитом, а в левом внешнем стержне проходит в направлении, противоположном магнитному потоку, наведенному постоянным магнитом. В дополнение к смещению магнитного потока, наведенного постоянным магнитом, от левой параллельной цепи, как было рассмотрено со ссылкой на Фиг.1-3, теперь в отличие от симметричной обмотки электромагнитный поток наведенный катушкой 2 дополняет второй поток, наведенный постоянным магнитом, с образованием значительно увеличенной коммутирующей силы. Качающийся якорь может быть повернут по часовой стрелке с более мощным усилием, чем в случае симметрично расположенных обмоток. А поскольку магнитный поток, образованный катушкой, не проходит через постоянный магнит, то этот магнит не может быть размагничен.
Теперь рассмотрим поворот в другое положение со ссылкой на Фиг.7, означающий, что левая магнитная цепь притягивает качающийся якорь. Магнитные потоки, образованные постоянным магнитом, соответствуют потокам, показанным на Фиг.3. Для перевода качающегося якоря в другое положение к обмоткам возбуждения 3 должен быть приложен импульс постоянного напряжения. В нижней части Фиг.7 показаны намотка обмоток возбуждения 3, направление их намотки и полярность импульса постоянного напряжения. Импульс постоянного напряжения образует в правой параллельной цепи, замкнутой по центральному стержню, электромагнитный поток, который показан маленькими заостренными стрелками и противоположно направлен магнитному потоку, наведенному постоянным магнитом в правой параллельной цепи. Магнитный поток, образованный постоянным магнитом, смещен от правого внешнего стержня к левому внешнему стержню с возможностью образования суммарного потока со вторым потоком, образованным постоянным магнитом. Качающийся якорь может быть повернут против часовой стрелки таким образом, что в правой параллельной цепи постоянным магнитом может быть образован второй магнитный поток, а магнитный поток, наведенный постоянным магнитом в левой параллельной цепи, удерживает качающийся якорь в другом фиксированном положении при выключенном двигателе. Если начало этого движения дополнено внешним усилием, например пружиной, катушка 3 может быть выполнена только из нескольких витков.
Для конструкции обмотки с дополнительными витками (см. чертеж) необходимы только три обмоточных соединения, причем в каждом случае импульс постоянного напряжения управления может быть приложен только к двум полюсам. Такая конфигурация обмотки может быть выполнена (см. Фиг.6 и 7) посредством выполнения обмоточных соединения начиная с центральной обмотки, через левую к правой.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
1 U-образное ярмо из мягкой стали
2 левый стержень ярма
3 правый стержень ярма
4 левая обмотка возбуждения
5 правая обмотка возбуждения
6 постоянный магнит
7 центральный стержень из мягкой стали
8 качающийся якорь
9 исполнительный элемент
10 магнитный поток через параллельную цепь, образованный постоянным магнитом
11 второй магнитный поток через параллельную цепь, образованный постоянным магнитом
12 воздушный зазор якоря
13 электромагнитный поток через магнитную цепь
14 корпус изолятора для обмоток возбуждения
15 схемы соединений обмоток возбуждения.