КЛАПАН С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ДВУХПОЗИЦИОННЫМ ПРИВОДОМ
VALVE WITH ELECTROMAGNETIC TWO-POSITION ACTUATOR

Изобретение относится в основном к электромагнитным двухпозиционным клапанам, а также может быть использовано для привода различных переключателей и импульсных насосов.
Известен электромагнитный двухпозиционный клапан (а.с. 715876, МКИ F16K 31/02, пр. 20.06.1976) с установленным в корпусе якорем с запорным органом, где в якоре соосно расположены два постоянных магнита с обращенными друг к другу одноименными полюсами и отделенными друг от друга магнито-проводящей пластиной. Якорь с постоянными магнитами и магнитопроводящей пластиной имеет герметичную капсулу.
В известном электромагнитном двухпозиционном клапане наличие герметичной капсулы увеличивает трудоемкость производства клапана, увеличивает радиальные размеры подвижных частей клапана и электромагнитной катушки и наружные размеры корпуса, а также увеличивает наружные радиальные зазоры между якорем и магнитопроводящей пластиной корпуса. Таким образом, наличие герметичной капсулы увеличивает габаритно-массовые характеристики, ухудшает динамические характеристики клапана и увеличивает трудоемкость его изготовления. Кроме того, наличие герметичной капсулы снижает надежность и живучесть клапана, т.к. потеря герметичности капсулы, при использовании в качестве рабочего тела агрессивных сред, ведет к потере работоспособности клапана. Известный клапан с электромагнитным двухпозиционным приводом имеет одну электромагнитную катушку, что требует от системы управления электромагнитным двухпозиционным приводом клапана подачи электрического напряжения на включение и выключение разной полярности, что также усложняет систему управления и исключает возможность использования электромагнитного клапана с однополярной системой управления. Следующим недостатком известного электромагнитного двухпозиционного привода клапана являются значительные затраты электрической энергии на преодоление магнитной энергии постоянных магнитов для компенсации их магнитных потоков при подаче управляющих импульсов на открытие либо закрытие клапана. Кроме того, уменьшение магнитного потока встречным электромагнитным потоком приводит к уменьшению магнитной энергии постоянных магнитов, что ограничивает ресурс клапана по количеству включений.
Задачей изобретения является создание клапана с электромагнитным двухпозиционным приводом с низким энергопотреблением, с малыми габаритами и массой при повышенной надежности и живучести, а также снижение трудоемкости при производстве.
Задача решается в клапане с электромагнитным двухпозиционным приводом, состоящем из запорного органа и электромагнитного двухпозиционного привода включающего корпус с магнитопроводом, якорь, электромагнитную катушку, два постоянных магнита с обращенными друг к другу одноименными полюсами, магнитопроводящую пластину, путем размещения постоянных магнитов в корпусе и установки якоря между стопами, соединенными магнитопроводящей частью корпуса с одноименными полюсами этих постоянных магнитов, а магнитопроводящая пластина выполнена в виде кольца и установлена в корпусе вокруг якоря между другими одноименными полюсами постоянных магнитов, разделяя электромагнитную катушку на две части.
Между удаленными от магнитопроводящей пластины одноименными полюсами постоянных магнитов может быть дополнительно установлена шунтирующая магнитопроводящая втулка, размещенная снаружи корпуса.
В предпочтительном варианте обе части катушки намотаны двумя параллельными проводами в одном направлении, при этом концы параллельных проводов катушки с каждой стороны подключены к разноименным полюсам источника тока.
Предлагаемое решение поясняется чертежом, где показан продольный разрез электромагнитного клапана:
а) положение «закрыто», подача сигнала на открытие;
б) положение «открыто», подача сигнала на закрытие.
Клапан с электромагнитным двухпозиционным приводом состоит из запорного органа 1, электромагнитного двухпозиционного привода 2, включающего корпус с магнитопроводом 3, якорь 4 со штоком 5, расположенный между двумя стопами 6 и 7, электромагнитные катушки 8 и 9, намотанные двумя параллельными проводами в одном направлении, постоянные магниты 10 и 11 с обращенными друг к другу одноименными полюсами, магнитопроводящую пластину 12 и шунтирующую магнитопроводящую втулку 13, соединяющую постоянные магниты через одноименные полюса, расположенные с противоположной стороны от магнитопроводящей пластины. Между внутренней поверхностью цилиндрической части шунтирующей магнитопроводящей втулки 13 и боковыми поверхностями постоянных магнитов 10 и 11 с расположенной между ними магнитопроводящей частью корпуса в зоне магнитопроводящей пластины электромагнитного двухпозиционного клапана выполнен немагнитный зазор 14.
Каждая электромагнитная катушка состоит из двух половин, взаимодействующих с соответствующим постоянным магнитом. Одна часть катушки работает на нейтрализацию силового воздействия одного постоянного магнита на якорь, а вторая - на усиление силового воздействия другого постоянного магнита и перемещение якоря в другое крайнее положение.
2
1
1
2
1
2
Клапан с электромагнитным двухпозиционным приводом работает следующим образом. В исходном положении при отсутствии электрического напряжения на катушках 8 и 9 за счет сил, создаваемых магнитными потоками постоянных магнитов 10 и 11, якорь 4 прижат к одному из стопов (6 или 7), например к стопу 7, соединенных с постоянными магнитами через магнитопроводящую часть корпуса. Учитывая, что зазор δ значительно больше зазора δ, a значит, магнитное сопротивление в зазоре δ будет значительно меньше, чем в зазоре δ, при прочих равных условиях магнитный поток и, следовательно, сила притяжения якоря в зазоре δ будет значительно больше, чем в зазоре δ, якорь прижат к стопу 6, клапан закрыт.
1
2
1
2
2
1
2
1
При подаче электрического напряжения на катушку 8 в зазоре δ создается магнитный поток, противоположный магнитному потоку постоянного магнита 11 и совпадающий с магнитным потоком постоянного магнита 10 в зазоре δ. Таким образом, суммарный магнитный поток и, как следствие, сила притяжения якоря к стопу 7 в зазоре δ уменьшается, а в зазоре δ увеличивается до величины, достаточной для перемещения якоря 4. Якорь 4 перемещается к стопу 6, клапан открыт. После снятия электрического напряжения с катушки 8 якорь 4 удерживается прижатым к стопу 6 за счет усилия, создаваемого магнитным потоком постоянного магнита 10. При подаче электрического напряжения на катушку 9, либо при подаче электрического напряжения обратной полярности на катушку 8, в зазоре δ создается электромагнитный поток, противоположный магнитному потоку постоянного магнита 10 и совпадающий с магнитным потоком постоянного магнита 11 в зазоре δ. Таким образом, суммарный поток и, как следствие, сила притяжения к стопу 6 в зазоре δ уменьшается, а в зазоре δ увеличивается до величины, достаточной для перемещения якоря к стопу 7. Якорь перемещается в исходное положение. После снятия напряжения с катушки 9 либо 8 якорь 4 удерживается прижатым к стопу 7 за счет усилия, создаваемого магнитным потоком постоянного магнита 11, клапан закрыт.
1
1
При наличии шунтирующей магнитопроводящей втулки 13 клапан с электромагнитным двухпопозиционным приводом работает следующим образом. Учитывая, что шунтирующая магнитопроводящая втулка соединяет одноименные полюса постоянных магнитов 10 и 11, расположенные с противоположной стороны от магнитопроводящей пластины 12, распределение магнитных потоков практически соответствует исходному состоянию клапана с электромагнитным двухпозиционным приводом без шунтирующей магнитопроводящей втулки, за исключением части магнитного потока, который проходит от постоянного магнита 10 через магнитопроводящую пластину 12, якорь 4, зазор δ, магнитопроводящую часть корпуса и шунтирующую магнитопроводящую втулку 13. Эта часть магнитного потока создает дополнительное усилие притяжения якоря 4 в зазоре δ.
1
2
1
2
2
2
1
2
1
При подаче электрического напряжения на катушку 8 возникает электромагнитный поток, направленный навстречу магнитному потоку от постоянного магнита 11 в зазоре δ и совпадает с магнитным потоком постоянного магнита 10 в зазоре δ. Магнитный поток от постоянного магнита 11, уменьшаясь в зазоре δ, увеличивается в зазоре δ и направлен через магнитопроводящую пластину 12, якорь 4, зазор δ, магнитопроводящую часть корпуса и шунтирующую магнитопроводящую втулку 13. Увеличение общего электромагнитного потока в зазоре δ при одновременном уменьшении электромагнитного потока в зазоре δ приводит к перемещению якоря к стопу 6, клапан открыт. При этом зазор δ уменьшается при увеличении зазора δ. При снятии электрического напряжения с катушки 8 якорь 4 удерживается в прижатом состоянии к стопу 6 за счет магнитного потока постоянных магнитов 10 и 11.
2
1
При подаче электрического напряжения на катушку 9 либо подаче электрического напряжения обратной полярности на катушку 8 в магнитных цепях электромагнитного двухпозиционного клапана возникают электромагнитные потоки противоположного направления. Это приводит к уменьшению электромагнитного потока в зазоре δ и увеличению электромагнитного потока в зазоре δ до величины, достаточной для перемещения якоря к стопу 7, и его удержания после снятия электрического напряжения, клапан закрыт.
Таким образом, наличие шунтирующей магнитопроводящей втулки при меньших затратах электрической энергии позволяет не уменьшать магнитный поток постоянных магнитов 10 и 11, а перераспределять его с одного рабочего зазора на другой, обеспечивая надежное переключение якоря 4 при незначительном воздействии электромагнитного поля катушки на магнитные поля постоянных магнитов. Это качество шунтирующей магнитопроводящей втулки позволяет снизить затраты электрической энергии на работу электрического двухпозиционного привода и клапана в целом при включении катушек, а также значительно увеличивает ресурс работы постоянных магнитов по количеству переключений, а следовательно, увеличивает ресурс электромагнитного двухпозиционного привода и клапана в целом по количеству включений. Преимуществом предлагаемого решения является также то, что постоянные магниты и магнитопроводящая пластина вынесены из зоны рабочей среды за пределы якоря. Это решение не требует герметизирующей капсулы и позволяет электромагнитный двухпозиционный привод и клапан в целом использовать применительно к любым (в том числе и агрессивным) рабочим средам. При этом повышается надежность и живучесть всей конструкции привода клапана, упрощается их сборка и, следовательно, снижается трудоемкость изготовления. Кроме того, отсутствие герметизирующей капсулы уменьшает радиальные размеры катушки и корпуса, что улучшает динамические и габаритно-массовые характеристики привода и клапана в целом. Преимуществом является также намотка обеих половин катушки двумя параллельными проводами в одном направлении. Это позволит одним технологическим приемом, при необходимости, обеспечить намотку одновременно двух катушек одной технологической операцией. Наличие сдвоенной катушки позволяет обеспечить работу привода и клапана независимо от системы подачи электрического напряжения на катушки: включение и выключение с подачей кратковременного импульса постоянного напряжения одной полярности, с протеканием тока в катушках в противоположном направлении либо, при использовании одной катушки, включение подачей постоянного электрического напряжения одной полярности, а выключение подачей кратковременного импульса электрического напряжения обратной полярности.
Кроме того, электромагнитный привод клапана может быть использован и в других переключающих устройствах (например, реле, переключателях и т.д.), системах импульсной подачи различных механизмов, а также насосах и других исполнительных механизмах и устройствах.