СОЛЕНОИД ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КЛАПАНА
SOLENOID FOR ELECTROMAGNETIC VALVE

Область техники
Настоящее изобретение относится к соленоиду для электромагнитного клапана, который приводит в движение железный сердечник с помощью намагничивания и размагничивания возбуждающей обмотки и более конкретно к соленоиду для электромагнитного клапана, который повышает магнитный кпд за счет простого изменения конструкции без добавления каких-либо специальных элементов к существующему соленоиду для электромагнитного клапана.
Предшествующий уровень техники
Например, как указано в патентном источнике 1 (заявка на патент Японии № 2002-188745), известен соленоид для электромагнитного клапана, в котором неподвижный железный сердечник установлен в центральном отверстии катушки, на которую намотана возбуждающая обмотка, подвижный железный сердечник вставлен с возможностью скольжения в центральное отверстие, магнитные силовые линии объединяют магнитную рамку, имеющую форму крышки, окружающей катушку, и конец неподвижного железного сердечника напротив подвижного железного сердечника. Вокруг стороны подвижного железного сердечника напротив притягивающей поверхности неподвижного железного сердечника расположена магнитная пластина для формирования магнитных силовых линий между магнитной рамкой и подвижным железным сердечником, и подвижный железный сердечник притягивается к неподвижному железному сердечнику, при подаче тока на обмотку возбуждения, или отделяется от неподвижного железного сердечника смещающей силой возвратной пружины для открывания и закрывания клапанного элемента. Часть магнитной пластины напротив внешней поверхности подвижного железного сердечника проходит в направлении неподвижного железного сердечника вдоль поверхности подвижного железного сердечника.
В вышеописанном соленоиде для электромагнитного клапана формируются магнитные силовые линии, проходящие от неподвижного железного сердечника через магнитную рамку, окружающую катушку и магнитную пластину, и возвращающиеся к неподвижному железному сердечнику. Зазор между подвижным железным сердечником и неподвижным железным сердечником и пространство между подвижным железным сердечником и магнитной пластиной представляют большое магнитное сопротивление для магнитных силовых линий. Даже если на других участках возникает относительно большое магнитное сопротивление, можно относительно легко уменьшить магнитное сопротивление, изменив конструкцию.
Поскольку зазор между подвижным железным сердечником и неподвижным железным сердечником соответствует ходу подвижного железного сердечника при подаче питания на обмотку возбуждения, магнитное сопротивление можно уменьшить за счет минимизации хода, изменив конструкцию клапана и т.п., но зазор остается существенным. Хотя пространство между подвижным железным сердечником и магнитной пластиной также создает большое магнитное сопротивление, это пространство необходимо для перемещения подвижного железного сердечника без контакта с магнитной пластиной. Однако магнитный кпд соленоида для электромагнитного клапана можно повысить, каким-либо образом уменьшив магнитное сопротивление.
Существо изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание соленоида для электромагнитного клапана, который уменьшает магнитное сопротивление, создаваемое пространством между подвижным железным сердечником и магнитной пластиной за счет простого изменения конструкции без добавления каких-либо дополнительных элементов к существующему соленоиду для электромагнитного клапана и который, тем самым, имеет повышенный кпд.
Для решения поставленной задачи согласно настоящему изобретению предлагается соленоид для электромагнитного клапана, содержащий: катушку, на которую намотана обмотка возбуждения; неподвижный железный сердечник, установленный в центральном отверстии катушки и имеющий притягивающую поверхность на своем переднем конце; подвижный железный сердечник, вставленный с возможностью скольжения в центральное отверстие катушки и имеющий притягивающую поверхность, расположенную напротив притягивающей поверхности неподвижного железного сердечника, при этом подвижный железный сердечник притягивается к неподвижному железному сердечнику при подаче питания на возбуждающую обмотку и отжимается возвратной пружиной в направлении от неподвижного железного сердечника; магнитную рамку, имеющую форму крышки, окружающей катушку и соединенную с неподвижным железным сердечником на заднем конце неподвижного железного сердечника магнитными силовыми линиями (линиями магнитной индукции); и магнитную пластину, расположенную вокруг подвижного железного сердечника для формирования магнитных силовых линий между магнитной рамкой и подвижным железным сердечником. Магнитная пластина содержит тело пластины, имеющее внешнюю поверхность, контактирующую с магнитной рамкой, удлиненный участок, расположенный на внутренней стороне тела пластины и проходящий к неподвижному железному сердечнику по поверхности подвижного железного сердечника. Площадь Sa противоположного участка внешней поверхности подвижного железного сердечника, расположенного напротив внутренней поверхности магнитной пластины, и площадь Sb сечения подвижного железного сердечника, ортогонального к его оси, удовлетворяет следующему условию:
K=Sa/Sb, K>1, и
осевая длина h внутренней поверхности магнитной пластины и длина L от притягивающей поверхности подвижного железного сердечника, расположенного в положении, отделенном от неподвижного железного сердечника возвратной пружиной, до переднего концевого участка магнитной пластины удовлетворяет следующему условию:
2≤К≤ (величина К, когда h=L).
В настоящем изобретении предпочтительно длина выдвижения удлиненного участка магнитной пластины от тела пластины больше, чем толщина тела пластины.
В предпочтительном варианте соленоида для электромагнитного клапана по настоящему изобретению сечения неподвижного железного сердечника, подвижного железного сердечника, центрального отверстия катушки и внутреннего отверстия магнитной пластины имеют любую форму, выбранную из ряда, содержащего круглую форму, эллиптическую форму и прямоугольную форму.
В соленоиде для электромагнитного клапана по настоящему изобретению, описанном выше, можно уменьшить магнитное сопротивление, возникающее в результате наличия пространства между подвижным железным сердечником и магнитной пластиной, путем простого изменения конструкции без добавления каких-либо специальных компонентов к существующему соленоиду для электромагнитного клапана, и в котором, тем самым, повышен магнитный КПД.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
фиг.1 изображает продольное сечение, иллюстрирующее вариант электромагнитного клапана, содержащего соленоид, согласно настоящему изобретению.
Фиг.2 - частичное сечение варианта настоящего изобретения.
Фиг.3 - разнесенный общий вид варианта настоящего изобретения.
Фиг.4 - вид, показывающий параметры соленоида, согласно варианту настоящего изобретения.
Фиг.5 - общий вид, иллюстрирующий параметры подвижного железного сердечник, согласно варианту настоящего изобретения.
Фиг.6 - диаграмма, иллюстрирующая отношение согласно Уравнению (1), описанному ниже.
Фиг.7 - диаграмма, иллюстрирующая отношение согласно Уравнению (2).
Описание вариантов воплощения изобретения
Далее следует подробное описание варианта воплощения настоящего изобретения со ссылками на чертежи.
На фиг.1-3 показан вариант электромагнитного клапана, содержащего соленоид для электромагнитного клапана согласно настоящему изобретению, и, в частности, показана конкретная иллюстративная конфигурация электромагнитного клапана, содержащего соленоид для электромагнитного клапана. Электромагнитный клапан по существу содержит секцию 1 клапана, в которой коммутируются каналы для пропускания среды, и секцию 3 соленоида, которая коммутирует и приводит в действие клапанный элемент в секции 1 клапана. Секция 3 соленоида образована соленоидом для электромагнитного клапана по настоящему изобретению. На фиг.1 и 2 показано состояние, в котором возбуждающая обмотка секции 3 соленоида размагничена.
Секция 1 клапана содержит корпус 10 клапана и контейнер 11 клапана, в котором имеется входной порт Р, выходной порт А и выпускной порт R, сообщающийся с корпусом 10 клапана. Отверстие, которое образует контейнер 11 клапана, открыто у конца корпуса 10 клапана, напротив секции 3 соленоида, и закрыто корпусом 12 седла клапана в состоянии, когда отверстие уплотнено по своей периферии уплотняющими элементами 13. В корпусе 12 седла клапана имеется канал 14, который сообщается с входным портом Р. Внутренний конец канала 14 сообщается в центре контейнера 11 клапана с седлом 15 подающего клапана, находящегося в положении напротив седла 16 выпускного клапана, сообщающегося с выпускным портом R. Клапанный элемент 17 находится в контейнере 11 клапана между седлом 15 подающего клапана и седлом 16 выпускного клапана.
Клапанный элемент 17 открывает и закрывает канал, перемещаясь в контакт или отделяясь от седла 15 подающего клапана и седла 16 выпускного клапана при подаче и прекращении подачи питания на секцию 3 соленоида. Для того чтобы клапанный элемент 17 выполнил операции открывания или закрывания с помощью секции 3 соленоида, этот клапанный элемент 17 установлен в держателе 18, который удерживает клапанный элемент 17, при этом пара толкателей 19, интегрированных с держателем 18, проходит к секции 3 соленоида в корпусе 10 клапана в направлении, поперечном седлу 16 выпускного клапана, а дистальные концы толкателей 19 контактируют с описанным ниже подвижным железным сердечником 36 секции 3 соленоида в углублении 10а, выполненном в корпусе 10 клапана между корпусом 10 клапана и секцией 3 соленоида. Далее пружина 21 клапана, поджимающая клапанный элемент 17 к седлу 16 выпускного клапана, расположена между клапанным элементом 17 и гнездом 20 для приема пружины, выполненным вокруг седла 15 подающего клапана в корпусе 12 гнезда клапана. На чертежах позицией 23 обозначен прижимной элемент, фиксирующий корпус 12 седла клапана на корпусе 10 клапана.
Секция 3 соленоида содержит пустотелую магнитную рамку 30 по существу прямоугольного поперечного сечения. Магнитная рамка 30 открыта на одном конце и закрыта на другом конце. В магнитной рамке 30 расположена пустотелая катушка 32, а конец катушки 32 находится в контакте с самой внутренней частью магнитной рамки 30, при этом между ними расположен уплотняющий элемент 31. Обмотка 33 возбуждения намотана на внешней поверхности катушки 32, и оба конца обмотки 33 возбуждения соединены с клеммами 33а (фиг.3).
В эллиптическом центральном отверстии 32а катушки 32 установлен неподвижный железный сердечник 35, на заднем торце которого имеется фланец 35b, контактирующий с внутренней поверхностью магнитной рамки 30. В центральном отверстии 32а катушки 32 также установлен подвижный железный сердечник 36, имеющий возможность скользить в направлении контакта с неподвижным железным сердечником 35 и от него. И неподвижный железный сердечник 35, и подвижный железный сердечник 36 имеют эллиптическую форму поперечного сечения. Противоположные торцы неподвижного железного сердечника 35 и подвижного железного сердечника 36 имеют плоские притягивающие поверхности 35а и 36а соответственно. При подаче питания на обмотку 33 возбуждения подвижный железный сердечник 36 притягивается к неподвижному железному сердечнику 35 силой магнитного притяжения, действующей на притягивающие поверхности 35а и 36а.
Форма сечения неподвижного железного сердечника 35 является равномерной за исключением заднего концевого участка, где выполнен фланец 35b. Подвижный железный сердечник также имеет равномерное сечение за исключением переднего концевого участка, на котором выполнен фланец 36b, который зацепляет описываемую ниже гильзу 38.
Магнитная рамка 30 имеет форму крышки, окружающей катушку 32, и находится в контакте с задним торцом неподвижного железного сердечника 35 напротив притягивающей поверхности 35а так, чтобы соединяться с неподвижным железным сердечником магнитными силовыми линиями. Далее магнитная рамка 30 соединена с подвижным железным сердечником магнитными силовыми линиями через пустотелую магнитную пластину 37, расположенную рядом с передним концевым участком подвижного железного сердечника 36 напротив притягивающей поверхности 36а и вокруг подвижного железного сердечника 36.
Магнитная пластина 37 содержит тело 37а пластины, имеющее прямоугольную форму внешней поверхности, выступающий участок 37b, выполненный интегрально с внутренней поверхностью тела 37а пластины и выступающий в сторону неподвижного железного сердечника 35 вдоль поверхности подвижного железного сердечника 36, и эллиптическое внутреннее отверстие 37с. Внешняя поверхность тела 37а пластины находится в контакте с внутренней поверхностью магнитной рамки 30 на открытом конце магнитной рамки 30. Толщина вступающего участка 37b постепенно уменьшается к дистальному концу. Выступающая длина выступающего участка 37b от тела 37а пластины больше, чем толщина тела 37а пластины. Внутреннее отверстие 37с магнитной пластины 37 имеет форму, равномерную по всей ее длине. Внутренняя поверхность 37d магнитной пластины 37 лежит напротив части внешней поверхности подвижного железного сердечника 36 так, чтобы находиться максимально близко к этой внешней поверхности с пространством между ними.
Центральное отверстие 32а катушки 32 и внутреннее отверстие 37с магнитной пластины 37 имеют одинаковую форму. Гильза 38, сформированная из синтетической смолы, надета на внешнюю поверхность на конце подвижного железного сердечника 36, обращенного к секции 1 клапана, напротив притягивающей поверхности 36а, и зафиксирована фланцем 36b на переднем конце подвижного железного сердечника 36 так, что гильза 38 не может сойти вперед. Возвратная пружина 39 вставлена между гильзой 38 и магнитной пластиной 37, и возвратная пружина 39 поджимает подвижный железный сердечник 36 в направлении от неподвижного железного сердечника 35.
Следовательно, магнитные силовые линии формируются так, чтобы проходить от неподвижного железного сердечника 35 до подвижного железного сердечника 36 через магнитную рамку 30, окружающую катушку 32, и магнитную пластину 37, и возвращаться от подвижного магнитного сердечника 36 к неподвижному железному сердечнику 35 через зазор b. Зазор b соответствует рабочему ходу подвижного железного сердечника 36 при подаче питания на обмотку 33 возбуждения. Вышеописанное пространство а, необходимое для того, чтобы подвижный железный сердечник 36 выполнял рабочий ход, без контакта с магнитной пластиной 37, сформировано между внешней поверхностью подвижного железного сердечника 36 и внутренней поверхностью 37d магнитной пластины 37 (фиг.4).
Секция 3 соленоида зафиксирована частью 30а магнитной рамки 30, отогнутой и зажатой верхней частью корпуса 10 клапана. Поэтому дистальный конец подвижного железного сердечника 36 расположен в положении контакта с дистальными концами пары толкателей 19, интегрированных с держателем 18 клапанного элемента 17 в гнезде 10а между корпусом 10 клапана и секцией 3 соленоида.
Как показано на фиг.1 и 2, когда в электромагнитном клапане вышеописанной конфигурации питание с обмотки 33 возбуждения снимается, подвижный железный сердечник 36 перемещается в положение, отделенное от неподвижного железного сердечника 35 силой возвратной пружины 39, и толкает клапанный элемент 17 через толкатели 19. Поэтому клапанный элемент 17 закрывает гнездо 15 подающего клапана и открывает седло 26 выпускного клапана. Сила возвратной пружины 39 подвижного железного сердечника 36, установленной между гильзой 38 и магнитной пластиной 37, подобрана так, чтобы превышать силу пружины 21, поджимающей клапанный элемент 17 к седлу 16 выпускного клапана.
Наоборот, когда на обмотку 33 возбуждения подается питание, подвижный железный сердечник 36 притягивается к неподвижному железному сердечнику, преодолевая силу возвратной пружины 39. Поэтому клапанный элемент 17 открывает седло 15 подающего клапана и закрывает седло 16 выпускного клапана с помощью силы пружины 21 клапана.
В варианте, показанном на фиг.1-3, сечения неподвижного железного сердечника 35, подвижного железного сердечника 36, центрального отверстия 32а катушки 32 и внутреннего отверстия 37с магнитной пластины 37 имеют форму эллипса, образованного двумя противолежащими полуокружностями, соединенными прямыми линиями. Однако форма сечения не ограничена эллипсом и может быть круглой, как у подвижного железного сердечника на фиг.5, или может быть по существу прямоугольной.
Вышеописанный электромагнитный клапан имеет конструкцию, которая будет описана ниже со ссылками на фиг.4-7, чтобы уменьшить магнитное сопротивление, возникающее в результате наличия пространства а между подвижным железным сердечником 36 и магнитной пластиной 37, лишь путем простого изменения конструкции известного соленоида для электромагнитного клапана. Хотя форма сечения подвижного железного сердечника 36, неподвижного железного сердечника 35 и внутреннего отверстия 37с магнитной пластины 37 для удобства на фиг.4 и 5 показана круглой, в этой конструкции также допустима и эллиптическая или прямоугольная форма сечения.
a
b
Как показано на фиг.5, конструкция для уменьшения магнитного сопротивления такова, что площадь S противоположного участка 36с (участка, заштрихованного наклонными линиями) внешней поверхности подвижного железного сердечника 36, лежащего напротив внутренней поверхности 37d магнитной пластины 37, и площадь S сечения подвижного железного сердечника 36, ортогональной его оси, удовлетворяет следующему условию:
a
b
K=S/S, K>1,
и, как показано на фиг.4, так, что осевая длина h внутренней поверхности 37d магнитной пластины 37 (и, следовательно, противоположного участка 36с подвижного железного сердечника 36) и длина L от притягивающей поверхности 36а подвижного железного сердечника 36, расположенного в положении, отделенном от неподвижного железного сердечника 35 возвратной пружиной 39, до переднего концевого участка 37е магнитной пластины 37 удовлетворяет следующему условию:
2≤К≤(величина К, когда h=L).
a
b
Это более конкретно описывается приведенными ниже выражениями. Во-первых, магнитное сопротивление R в пространстве между внешней поверхностью подвижного железного сердечника 36 и внутренней поверхностью 37d магнитной пластиной 37, и магнитное сопротивление R в зазоре b (рабочий ход подвижного железного сердечника 36) между неподвижным железным сердечником 35 и подвижным железным сердечником 36 описываются следующим образом:
Ra=CЧa/Sa;
Rb=CЧb/Sb,
0
s
где С=1/μ=1/μЧμ
μ - магнитная проницаемость (H/m);
0
-7
μ - магнитная проницаемость в вакууме=4πЧ10(H/m);
s
μ - относительная магнитная проницаемость
t
a
b
Комбинированное сопротивление R магнитных сопротивлений R R можно выразить как:
t
A
b
a
b
R=R+R=C(a/S+b/S).
t
Если предположить, что С≈1, то комбинированное сопротивление R можно выразить как:
t
b
a
a
b
R≈(aЧS+bЧS)/SЧS.
В вышеприведенных выражениях пространство а между внутренней поверхностью 37d магнитной пластины 37 и подвижным железным сердечником 36 и зазор b между неподвижным железным сердечником 35 и подвижным железным сердечником 36 уменьшают магнитный кпд. Однако зазор b представляет собой реальный рабочий ход подвижного железного сердечника 36 и по существу обозначается как а≤b. В участках, не относящихся к зазору (например в пространстве а), необходимо, чтобы магнитное сопротивление было бы не больше, чем магнитное сопротивление в зазоре b для рабочего хода подвижного железного сердечника. Поэтому для упрощения расчетов с помощью вышеприведенных выражений, когда a=b, можно получить следующее выражение:
t
b
a
a
b,
R'=(S+S)/SЧS
t
t
где R'=R/b.
a
b
Здесь, когда площадь S противоположной поверхности 36с на внешней поверхности подвижного железного сердечника 36 и площадь сечения S подвижного железного сердечника 36 на фиг.5 удовлетворяет следующему условию:
a
b
K=S/S, K>1,
a
b
t
то есть когда S считается произведением К на S и заменяется в вышеприведенном выражении R', и это выражение преобразуется, можно получить следующее выражение:
t
b
t
R'ЧS=R"=(K+1)/K=1/Y;
Y=K/(K+1) (1)
Соответственно, когда выражение (1) дифференцируют для нахождения скорости изменения Y, когда К в выражении (1) изменяется, получается следующее выражение:
2
Y'=1/(K+1) (2)
На фиг.6 и 7 приведены диаграммы, которые визуализируют изменения Y в выражении (1) и Y' в выражении (2). Согласно фиг.7, когда К≥2, изменение скорости изменения уменьшается, скорость изменения становится 10% или менее, и можно получить кпд 65% и более.
Следовательно, когда длина L задается, как описано выше и как показано на фиг.4, предпочтительно выполняется следующее условие:
2≤К≤(величина К, когда h=L) (3)
Согласно фиг.6 и 7, можно получить КПД 75% или более, когда К≥3, а КПД 80% или более можно получить, когда К≥4. Эти величины находятся в более желательном диапазоне, если не возникают проблемы при производстве магнитной пластины.
Когда величина К приближается к (величине К, когда h=L), согласно выражению (3), описанному выше, магнитный поток может стекать с дистального конца удлиненного участка 37b магнитной пластины 37 к неподвижному железному сердечнику 35. Поскольку на это влияют различные параметры, например форма неподвижного железного сердечника 35 и подвижного железного сердечника 36, нет необходимости описывать эту конкретную величину. Когда величина К увеличивается до такой степени, что появляется возможность утечки магнитного потока, необходимо экспериментально или другими способами заранее найти расстояние d, необходимое для подавления утечки магнитного потока с дистального конца выступающего участка 37b магнитной пластины 37 к неподвижному железному сердечнику 35, чтобы удовлетворялось следующее условие:
2≤К≤ (величина К, когда h=L-d).
В этом случае имеется возможность рассмотреть форму магнитной пластины 37, например минимизируя толщину дистального конца выступающего участка 37b магнитной пластины 37.
Позиции на чертежах:
30 - магнитная рамка
32 - катушка
32а - центральное отверстие
33 - обмотка возбуждения
35 - неподвижный железный сердечник
36 - подвижный железный сердечник
36с - противоположный участок
35а, 36а - притягивающая поверхность
37 - магнитная пластина
37а - тело пластины
37b - выступающий участок
37с - внутреннее отверстие
37d - внутренняя поверхность
39 - возвратная пружина