СОЛЕНОИД, ВКЛЮЧАЮЩИЙ В СЕБЯ КОМПОНОВКУ ДВОЙНОЙ КАТУШКИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ МАГНИТНЫМ ПОТОКОМ РАССЕЯНИЯ
SOLENOID INCLUDING DUAL COIL ARRANGEMENT TO CONTROL LEAKAGE FLUX

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Раскрытая концепция относится, в основном, к электромагнитным исполнительным устройствам и, более конкретно, - к соленоидам.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Электромагнитные исполнительные устройства, такие как соленоиды, используются для множества различных применений. В ответ на поданную на его контакты электрическую энергию соленоид обеспечивает электромагнитную силу. Соленоиды могут включать в себя воздушный сердечник или железный сердечник. В соленоидах с железным сердечником магнитная рамка взаимодействует с созданным катушкой магнитным потоком, чтобы обеспечить замкнутый магнитный путь с низким магнитным сопротивлением для магнитного потока. Катушка намотана на каркас и установлена внутри магнитной рамки. Соленоиды также включают в себя подвижный сердечник или якорь и неподвижный сердечник или полюс. Магнитный поток совершает замкнутый путь от полюса через магнитный зазор к якорю, к магнитной рамке и обратно к полюсу. В этом законченном движении магнитного потока есть некоторая величина магнитного потока (то есть поток рассеяния), который не достигает якоря. Этот поток рассеяния тратится впустую и не может вносить вклад в создание магнитной силы. Таким образом, для того, чтобы магнитная сила могла быть максимизирована с целью эффективного и действенного использования соленоидов, величина потока рассеяния должна быть минимизирована.
Обратимся к фиг. 1. Соленоид 2 включает в себя магнитную рамку 4, удерживающую катушку 6, катушку 8 срабатывания, каркас 10, неподвижный сердечник (полюс) 12, подвижный сердечник (якорь) 14, возвратную пружину 16 и плунжер 18. Соленоиды, такие как соленоид 2, имеют два предельных состояния, включающие в себя первое состояние (или состояние срабатывания), при котором якорь 14 и полюс 12 разделены максимально возможным зазором (или магнитным зазором 20 на фиг. 1 и 2), и второе состояние (или удерживающее состояние), когда якорь 14 и полюс 12 находятся вблизи (например, почти касаясь) друг друга (как показано на фиг. 1 пунктирной линией чертежа). Состояние срабатывания соленоида имеет место тогда, когда подача электрического питания (не показан) не предоставлена к контактам катушки (не показаны) для удерживающей катушки 6 и катушки 8 срабатывания. После того, как в состоянии срабатывания к контактам катушки будет предоставлена подача электропитания, по катушкам 6, 8 будет протекать некоторая величина тока в зависимости от состояния соленоида, импеданса катушки и количества витков обмотки катушки. Количество витков (N) и ток (I), протекающий по катушкам 6, 8, определяет общую величину NI катушки через контакты. Величина NI катушек 6, 8 и магнитный промежуток 20 определяют величину магнитного потока в соленоиде 2.
Катушка 8 срабатывания и удерживающая катушка 6 могут быть намотаны либо последовательно, либо параллельно. Обычно в соленоиде 2 нет электрического соединения между катушками 6, 8 и они электрически соединены последовательно или параллельно через схему "экономайзера" (не показано). Чтобы обесточивать катушку 8 срабатывания, для сохранения электроэнергии и минимизации нагрева соленоида 2 в удерживающем состоянии, может быть использована соответствующая схема "экономайзера" или схема "отсечки" (не показана). Схема экономайзера может быть реализована с помощью времязадающей схемы (не показана), которая посылает импульсы в катушку 8 срабатывания только в течение предопределенного периода времени, пропорционального номинальной продолжительности работы якоря. Это достигается путем использования компоновки двойной катушки, в которой последовательно со старой катушкой есть соответствующая схема или катушка с относительно низким сопротивлением и соответствующая схема или катушка с относительно высоким сопротивлением. Сначала схема экономайзера позволяет току течь через цепь с низким сопротивлением, но спустя соответствующий период времени схема экономайзера этот путь с низким сопротивлением выключает. Такой подход уменьшает количество энергии, потребляемой в статических состояниях (например, при относительно длительных периодах подачи питания).
Иллюстративный подход к выполнению обмотки, примененный на фиг. 1 таков, что сначала наматывают катушку 8 срабатывания - почти по всей высоте (по отношению к фигуре 1) каркаса 10, а затем поверху, - почти по всей высоте катушки 8 срабатывания (по отношению к фигуре 1) наматывают удерживающую катушку 6.
Существует возможность для внесения усовершенствования в соленоиды.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с одним объектом соленоид включает в себя магнитную рамку, каркас, имеющий длину, удерживающую катушку, катушку срабатывания, имеющую длину, неподвижный полюс, подвижный якорь, имеющий длину, и возвратную пружину, смещающую якорь от полюса. Соленоид имеет состояние срабатывания, когда якорь и полюс разделены магнитным зазором, и удерживающее состояние, когда якорь и полюс находятся близко друг к другу. Катушка срабатывания намотана вокруг каркаса на участке длины каркаса, а удерживающая катушка намотана вокруг каркаса на оставшемся участке длины каркаса. Длина катушки срабатывания является почти такой же, что и длина якоря, и меньшей, чем длина каркаса.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Полное понимание раскрытой концепции может быть получено из нижеследующего описания предпочтительных вариантов исполнения после его прочтении совместно с сопроводительными чертежами, на которых:
фиг. 1 представляет собой вид вертикального поперечного сечения соленоида, в котором высота катушки срабатывания примерно такая же, что и высота каркаса;
фиг. 2 представляет собой схему, показывающую поток рассеяния соленоида по фиг. 1;
фиг. 3 представляет собой вид вертикального поперечного сечения соленоида в соответствии с вариантами исполнения раскрытой концепции, в которой катушка срабатывания намотана рядом с якорем, а высота катушки срабатывания - примерно такая же, что и высота якоря;
фиг. 4 представляет собой схему, показывающую поток рассеяния соленоида по фиг. 3;
фиг. 5 представляет собой упрощенный вид поперечного сечения каркаса, катушки срабатывания и удерживающей катушки по фиг. 3.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ИСПОЛНЕНИЯ
В том смысле, как он здесь используется, термин "количество" означает единицу или целое число больше единицы (т.е. множество).
В том смысле, как оно здесь используется, утверждение, что две или более частей "соединены" или "связаны" вместе, означает, что эти детали соединены вместе либо непосредственно, либо соединены посредством одной или более промежуточных частей. Кроме того, в том смысле, как оно здесь используется, утверждение, что две или более частей являются "прикрепленными", означает, что эти части соединены вместе напрямую.
Раскрытая концепция описана применительно к иллюстративному соленоиду, хотя эта раскрытая концепция применима к широкому диапазону различных соленоидов.
Раскрытая концепция для эффективного и действенного уменьшения величины потока рассеяния использует в соленоиде компоновку двойной катушки.
Фиг. 2 показывает соответствующее распределение магнитного потока в соленоиде 2 по фиг. 1. От полюса 12 к магнитной рамке 4 имеет место относительно большая величина потока 22 рассеяния. Из-за этого относительно большого потока 22 рассеяния достигающий якоря 14 полезный поток не является достаточным для того, чтобы переместить якорь в направлении полюса 12 (поскольку он не создает достаточной силы), что приводит к необходимости большей величины NI. Увеличенная потребность в NI для данного количества витков катушки может быть достигнута путем обеспечения большего тока через катушку (и более высокого напряжения срабатывания). Этот относительно более высокий поток 22 рассеяния снижает общую эффективность и действенность соленоида 2.
В начале рабочего хода якоря 14 в состоянии срабатывания, магнитный зазор 20 является максимальным, что, в свою очередь, приводит к максимальному магнитному сопротивлению соответствующей магнитной цепи. Соленоид 2 по фиг. 1 в состоянии срабатывания при заданных NI создает минимальный магнитный поток, который, в свою очередь, порождает минимальную магнитную силу. Для того чтобы получить достаточные NI в состоянии срабатывания, катушка 8 срабатывания должна проводить ток относительно более высокой величины (что приводит к относительно более высокой величине напряжения срабатывания). Магнитный поток совершает свой путь от полюса 12 через магнитный зазор 20 к якорю 14, к магнитной рамке 4 и - назад к полюсу 12. На этом полном пути магнитного потока есть некоторая величина магнитного потока (то есть поток 22 рассеяния на фиг. 2), который не достигает якоря 14. В состоянии срабатывания магнитный поток, созданный катушкой 8 срабатывания, для данных NI является минимальным, так что становится очень важным минимизировать величину потока рассеяния.
Как только якорь 14 начинает свой ход к полюсу 12, магнитный зазор 20 начинает уменьшаться, что приводит к меньшему магнитному сопротивлению и большей величине магнитного потока. Это явление имеет место до момента наступления удерживающего состояния, и оно постепенно уменьшает NI, необходимые для того, чтобы удерживать якорь 14 в удерживающем состоянии. Величина потока рассеяния от полюса 12 к магнитной рамке 4 в состоянии срабатывания больше, чем в удерживающем состоянии, поскольку в удерживающем состоянии магнитный зазор 20 уменьшен. В результате, поток 22 рассеяния (фиг. 2) в состоянии срабатывания становится очень сложно контролировать, чтобы получить требуемый полезный магнитный поток (проходящий через якорь 14), и полученную магнитную силу. В противном случае, - если поток 22 рассеяния является увеличенным, соленоиду 2 в катушке 8 срабатывания для приведения в движение якоря 14 потребуется бóльшие NI.
Есть множество способов намотки катушек вокруг каркаса. В зависимости от подхода к намотке магнитное сопротивление для магнитного потока изменяется, что, в свою очередь, изменяет величину потока рассеяния от полюса к магнитной рамке.
Как показано на фиг. 3, в соответствии с раскрытой концепцией соленоидом 30 используется компоновка двойной катушки с двумя катушками 32, 36 постоянного тока. Первая или катушка 32 срабатывания имеет относительно низкое сопротивление и использует обмотки катушки с относительно малым калибром по стандарту AWG. Вторая или удерживающая катушка 36 имеет относительно высокое сопротивление и использует обмотки катушки с относительно более высоким калибром по стандарту AWG. Сначала в состоянии срабатывания ток проводит только катушка 32 срабатывания, в то время как в удерживающем состоянии подача электропитания (не показан) переключена к удерживающей катушке 36 - через соответствующий контур (например, но без ограничения, - электронная схема экономайзера, которая функционирует как RC-таймер) (не показан). В состоянии срабатывания ток проводит только катушка 32 срабатывания, а в удерживающем состоянии ток проводит либо удерживающая катушка, либо проводят ток обе катушки (в зависимости от электрического соединения в электронной схеме экономайзера). Соленоид 30 находится в незапитанном состоянии (готовый для "срабатывания") с возвратной пружиной 42, поджимающей якорь 40 вверх (по отношению к фиг. 3) к упору 48, для того чтобы обеспечить максимально возможный зазор (магнитный зазор 50 между якорем 40 и полюсом 38 по фиг. 3 и 4). Кроме того, к якорю 40 подсоединен плунжер 52, выступающий через отверстие 54 в магнитной рамке 34.
В качестве неограничивающего примера, - катушка 32 срабатывания с относительно низким сопротивлением имеет сопротивление около 4,5 Ом при 25°С и NI - в 2000 ав (ампер-витков), а удерживающая катушка 36 с относительно высоким сопротивлением при 25°С имеет сопротивление около 40 Ом и NI - в 4100 ав.
Для эффективной работы соленоида, такого как соленоид 30 по фиг. 3, для того чтобы при заданных NI магнитная сила на его якорь 40, могла быть максимальной, через такой якорь 40 должен проходить максимальный магнитный поток. Поскольку в состоянии срабатывания поток 46 рассеяния (см. фиг. 4) является относительно бóльшим, чем в удерживающем состоянии из-за его большего магнитного зазора 50, то положение катушки 32 срабатывания по отношению к якорю 40 является очень важным. Следовательно, катушка 32 срабатывания, предпочтительно, намотана как можно ближе к якорю 40 с тем, чтобы свести к минимуму поток рассеяния.
В соленоиде 30 на фиг. 3 в целях повышения эффективности используют компоновку двойной катушки. Сначала вокруг каркаса 44 - на часть его высоты (по отношению к фиг. 3), но не на всю высоту (по отношению к фиг. 3) каркаса 44 помещают катушку 32 срабатывания. Затем под нижним концом 56 катушки 32 срабатывания (по отношению к фиг. 3) в оставшееся пространство по высоте каркаса (по отношению к фиг. 3) помещают удерживающую катушку 36. Наконец, остальные витки удерживающей катушки 36 наматывают по всей высоте (по отношению к фиг. 3) каркаса 44, после того как удерживающая катушка 36 и катушка 32 срабатывания достигают одного и того же радиального уровня.
Это может быть понято из фиг. 5 и из следующего неограничивающего примера. Если имеющаяся ширина (W) каркаса 44 для обмоток катушки составляет 1,2 дюйма (30,5 мм), а имеющаяся высота (Н) составляет 1,3 дюйма (33,0 мм), то тогда катушка 32 срабатывания намотана на высоту (Н1) в 0,5 дюйма (12,7 мм), а по ширине (W1) на 0,7 дюйма (17,8 мм), (например, без ограничения, в зависимости от количества витков, тока катушки, сопротивления катушки и калибра обмотки по стандарту AWG). Затем на оставшуюся высоту (Н2=H-H1) в 0,8 дюйма (20,3 мм) (в этом примере 1,3 дюйма (33,0 мм)-0,5 дюйма (12,7 мм)) и ширину (W1), то есть, в этом примере, 0,7 дюйма (17,8 мм), равную ширине (W1) катушки 32 срабатывания намотана удерживающая катушка 36. После этого остающиеся витки удерживающей катушки 36 наматывают по всей высоте (Н) в 1,3 дюйма (33,0 мм) и оставшейся ширине (W2=W-W1) в 0,5 дюйма (12,7 мм) (то есть, в этом примере 1,2 дюйма (30,5 мм)-0,7 дюйма (17,8 мм)).
Схема потока соленоида 30 по фиг. 3 показана на фиг. 4. Здесь поток 46 рассеяния значительно улучшен по отношению к потоку 22 рассеяния на фиг. 2. Уменьшение потока 46 рассеяния приводит к тому, что через якорь 40 проходит относительно больший магнитный поток, который, в свою очередь, обеспечивает относительно бóльшую магнитную силу на якорь 40. В результате соленоиду 30 для его работы необходимо относительно меньше NI, что приводит к относительно меньшему напряжению срабатывания.
Высота (по отношению к фигуре 3) катушки 32 срабатывания, намотанной вокруг каркаса 44, может изменяться в зависимости от требуемой силы на якорь 40 и других факторов, таких как, например, - без ограничения, размер рабочей зоны каркаса, калибр проводников обмотки катушки по стандарту AWG, сопротивление катушки, допустимый ток через катушки 32, 36, количество витков обмотки, ток, протекающий через катушки 32, 36, и напряжение срабатывания. Хотя высоту (по отношению к фиг. 3) катушки 32 срабатывания можно изменять, эту катушку 32 предпочтительно наматывать так, чтобы она имела высоту (по отношению к фиг. 3), как можно более близкую к высоте якоря 40 (по отношению к фиг. 3).
Раскрытый способ намотки катушки 32 срабатывания и удерживающей катушки 36 вокруг каркаса 44 снижает ампер-витки (NI) каждой из катушек 32, 36 и уменьшает напряжение срабатывания катушки 32 срабатывания. В результате, соленоиду 30 для работы необходимо меньше NI, что приводит к более низким тепловым потерям в соленоиде 30, и уменьшает вес и габаритные размеры соленоида 30.
Уменьшение потока 46 рассеяния приводит к проходящему через якорь 40 относительно большему магнитному потоку, который, в свою очередь, обеспечивает относительно большую магнитную силу на якорь 40. В результате соленоиду 30 для того, чтобы работать, необходимо относительно меньше NI и относительно меньшее напряжение срабатывания.
В то время как выше были подробно описаны конкретные варианты осуществления раскрытой концепции, специалистам в данной области техники будет понятно, что в свете общих идей настоящего описания для этих деталей могут быть разработаны различные модификации и альтернативы. Соответственно, конкретные описанные компоновки предназначены быть лишь иллюстративными, а не ограничительными в том, что касается объема раскрытой концепции, который во всей своей полноте должен быть дан приложенными пунктами формулы изобретения, а также любыми и всеми их эквивалентами.