ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН
ELECTROMAGNETIC VALVE

Изобретение относится к арматуростроению, в частности, к клапанам с электромагнитным приводом с сигнализацией положения запорного органа, и может быть использовано в системах дистанционного управления подачей газов в химической, газовой, энергетической и других отраслях техники, где требуются работающие от автономных источников постоянного тока с широким диапазоном рабочих напряжений электромагнитные клапаны с герметичными проточными полостями и диагностикой состояния запорного органа, например, в качестве электроклапана взрывоопасных рабочих газов в электрохимических генераторах тока.
Известен электромагнитный клапан патент США №3633615, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, электромагнит с магнитопроводом, защелкивающей и переключающей катушками, выполненный с установленным в нем подпружиненным якорем, жестко соединенным с запорным органом, постоянным магнитом, установленным в магнитопроводе параллельно защелкивающей катушке и постоянным магнитом в сердечнике переключающей катушки, устройство для индикации положения запорного органа в виде магнитоуправляемого контакта.
Недостатком указанного электроклапана является сложность конструкции и неустойчивость индикации положения запорного органа из-за изменения магнитодействующей силы (далее - МДС) защелкивающей катушки при значительных отклонениях напряжения от номинального, в то время как у постоянных магнитов такой зависимости от питающего напряжения нет. Для устранения указанного недостатка требуется стабилизация питающего напряжения, что еще более усложняет конструкцию.
Наиболее близким к описываемому является электромагнитный клапан (патент РФ №2282771, опубл. 27.08.2006 Бюл. №24), содержащий корпус с входным и выходным патрубками, электромагнит, якорь с запорным органом, взаимодействующий с электромагнитом, устройство для индикации положения запорного органа в виде магнитоуправляемого контакта, расположенного в отверстии между стопом и примыкающим к нему магнитопроводом с возможностью перемещения вдоль оси этого отверстия.
Перемещение магнитоуправляемого контакта относительно плоскости разъема стопа и магнитопровода позволяет достичь такого положения контакта, в котором он чувствителен к изменению напряженности магнитного поля при изменении магнитной проводимости магнитопровода электроклапана, вызванного перемещением якоря из одного крайнего положения в другое для компенсации разброса свойств материалов и комплектующих.
К достоинствам устройства следует отнести:
простоту конструктивного исполнения индикатора положения запорного органа;
малую величину рассеивания магнитного потока, поскольку для срабатывания магнитоуправляемого контакта достаточна небольшая напряженность магнитного поля.
Недостатками устройства является следующее:
В случае автономного источника питания к электроклапану предъявляются требования по работоспособности в широком диапазоне рабочих напряжений. При этом напряженность магнитного поля от удерживающей обмотки катушки электроклапана в месте установки магнитоуправляемого контакта при минимальном рабочем напряжении питания и положении якоря в закрытом положении электроклапана должна быть меньше напряженности отпускания контакта. В случае работы электроклапана при максимальном рабочем напряжении питания напряженность поля от удерживающей обмотки катушки при положении якоря в закрытом положении электроклапана может значительно превышать напряженность поля отпускания магнитоуправляемого контакта. В результате нарушается сигнализация положения клапана, так как магнитоуправляемый контакт не отслеживает положение якоря электроклапана во всем диапазоне рабочих напряжений, когда управляющее напряжение на электроклапан подано, а якорь не пришел в положение, когда запорный орган открыт.
Несоответствие индикатора положения и запорного органа по этой же причине возможно при значительном изменении температуры окружающей среды вследствие изменения МДС удерживающей катушки из-за зависимости сопротивления обмотки катушки от температуры.
Задачей изобретения является обеспечение соответствия между состоянием запорного органа и состоянием магнитоуправляемого контакта при изменениях питающего напряжения и температуры окружающей среды электроклапана в широких пределах.
Поставленная задача достигается тем, что в электромагнитном клапане, содержащем корпус с входным и выходным штуцерами, электромагнит, состоящий из магнитопровода, удерживающей и форсажной обмоток, якорь, связанный через шток с подпружиненным запорным органом и взаимодействующий со стопом магнитопровода, сигнализатор положения запорного органа в виде магнитоуправляемого контакта, расположенного в теле магнитопровода, согласно изобретению сигнализатор положения запорного органа выполнен в виде компенсационной катушки с расположенным внутри нее магнитоуправляемым контактом, при этом обмотка удерживающей катушки и обмотка компенсационной катушки сигнализатора соединены параллельно с источником напряжения электроклапана таким образом, что направление напряженности поля от удерживающей катушки противоположно направлению напряженности поля катушки сигнализатора в месте установки магнитоуправляемого контакта.
Выполнение сигнализатора положения запорного органа, в отличие от прототипа, в виде компенсационной катушки с расположенным внутри нее магнитоуправляемым контактом, когда обмотка удерживающей катушки и обмотка компенсационной катушки сигнализатора соединены параллельно с источником напряжения питания электроклапана таким образом, что направление напряженности поля от удерживающей катушки противоположно направлению напряженности поля катушки сигнализатора в месте установки магнитоуправляемого контакта позволяет следующее:
1. Обеспечить соответствия между состоянием запорного органа и состоянием магнитоуправляемого контакта при изменениях питающего напряжения и температуры окружающей среды электроклапана в широких пределах. Это достигается согласованием характеристик электромагнитного поля от удерживающей и компенсационной обмоток катушек в зоне установки магнитоуправляемого контакта с учетом суперпозиции этих полей. Так, при обеспечении нулевой или меньше необходимой для замыкания и размыкания магнитоуправляемого контакта напряженности магнитного поля в зоне его установки при закрытом положении запорного органа за счет суперпозиции полей удерживающей и компенсационной обмоток катушек, это соотношение практически не изменяется при понижении или повышении напряжения питания электроклапана, так как обмотки катушек электрически подключены к единому источнику питания. При перемещении якоря под действием магнитного поля электромагнита из закрытого состояния запорного органа в открытое за счет изменения проводимости магнитных полей магнитопровода это соотношение нарушается. Напряженность магнитного поля от удерживающей обмотки катушки нарастает, в то время как напряженность магнитного поля от компенсационной катушки остается постоянной и при достижении величины, достаточной для срабатывания магнитоуправляемого контакта, он замыкается. При этом величина изменения напряженности магнитного поля в зоне установки магнитоуправляемого контакта при перемещении якоря из одного крайнего положения в другое аналогична достигаемой у прототипа и не зависит от характеристик поля компенсационной обмотки сигнализатора. Компенсация изменения магнитодвижущей силы электромагнита клапана при изменении температуры окружающей среды подчиняется аналогичным законам. 2. Указанное выполнение сигнализатора положения запорного органа не влияет на тяговые характеристики форсажной и удерживающей обмоток электромагнита клапана, т.е не создает потерь магнитного потока электромагнита в рабочем зазоре, так как при размещении компенсационной обмотки сигнализатора в теле магнитопровода клапана магнитное поле от нее полностью замыкается в окружающем обмотку магнитопроводе и практически не замыкается через воздушный зазор между якорем и стопом ввиду несоизмеримости по величине магнитных сопротивлений этих путей.
Таким образом, выполнение сигнализатора положения запорного органа в виде магнитоуправляемого контакта с компенсационной обмоткой позволяет компенсировать изменение напряженности магнитного поля в зоне установки контакта при изменении напряжения питания электромагнитного клапана в широких пределах и не влияет на характеристики удерживающей катушки, а размещение магнитоуправляемого контакта с его катушкой в теле магнитопровода не ухудшает по отношению к прототипу его чувствительность к изменению магнитного поля в магнитопроводе.
В описываемом электроклапане решение поставленной задачи, касающейся обеспечения соответствия между состоянием запорного органа и состоянием магнитоуправляемого контакта в широких пределах изменения напряжения питания электроклапана и изменения температуры окружающей среды, достигается:
выполнением сигнализатора положения в виде компенсационной катушки с расположенным внутри нее магнитоуправляемым контактом;
электрическим соединением обмотки удерживающей катушки и обмотки компенсационной катушки сигнализатора параллельно с источником напряжения питания электроклапана;
обеспечением направления напряженности поля от удерживающей катушки противоположно направлению напряженности поля катушки сигнализатора в месте установки магнитоуправляемого контакта.
При этом величина изменения напряженности магнитного поля в зоне установки магнитоуправляемого контакта при перемещении якоря из одного крайнего положения в другое аналогична достигаемой у прототипа при тождественном конструктивном исполнении.
Конструкция заявляемого электроклапана приведена на чертеже. Электромагнитный клапан содержит корпус герметичного электромагнита, состоящий из магнитопровода 1, форсажной 2 и удерживающей 3 обмоток, крышку с седлом 4, входным 5 и выходным 6 штуцерами, якорь 7, связанный через шток 8 с подпружиненным запорным органом 9 и взаимодействующий со стопом 10 магнитопровода, сигнализатор положения запорного органа, состоящий из компенсационной катушки 11 с каркасом из диэлектрика и с расположенным внутри него магнитоуправляемым контактом 12, возвратную пружину 13 и неферромагнитный упор 14, рабочий зазор 15 между стопом 10 и якорем 7. Электрическая связь обмоток электроклапана с источником питания обеспечивается разъемом 16, установленным на неферромагнитном донышке.
Устройство работает следующим образом:
В исходном состоянии электромагнит с форсажной 2 и удерживающей 3 обмотками, а также обмоткой 11 сигнализатора положения обесточен. Магнитоуправляемый контакт 12 разомкнут. Якорь 7 под действием пружины 13 прижат к упору 14. Запорный орган 9 под действием пружины закрыт. Рабочий зазор 15 электромагнита максимален. При подаче напряжения кратковременно на форсажную 2 и длительно на удерживающую 3 обмотки электромагнита и катушку 11 сигнализатора положения создается магнитный поток от обмоток 2 и 3, который замыкается через магнитопровод 1, якорь 7, рабочий зазор 15 и стоп 10, при этом незначительная нерабочая часть потока минует рабочий зазор 15 и замыкается через обеспечивающую герметичность электромагнита тонкостенную перегородку магнитопровода 1, являющуюся направляющей якоря 7. Также создается магнитный поток от катушки 11 сигнализатора положения, который замыкается в магнитопроводе 1 в зоне установки магнитоуправляемого контакта 12. Под действием электромагнитных сил от потока, создаваемого форсажной 2 и удерживающей 3 обмотками электромагнита, якорь 7 притягивается к стопу 10. По мере движения якоря 7 в сторону уменьшения зазора 15 уменьшается магнитное сопротивление и возрастает поток электромагнита. При нулевом рабочем зазоре 15 магнитный поток электромагнита достигает максимальной величины. Магнитоуправляемый контакт 12 замыкается под действием разности разнонаправленных напряженностей полей от форсажной 2 и удерживающей 3 обмоток электромагнита с одной стороны и от компенсационной катушки 11 с другой стороны и сигнализирует о подаче напряжения на электроклапан. После снятия для минимизации энергозатрат на собственные нужды напряжения с форсажной обмотки 2 магнитный поток, протекающий через рабочий зазор 15, уменьшается. Якорь 7 удерживается в открытом положении запорного органа 9 на стопе 10 за счет магнитного потока, создаваемого только удерживающей обмоткой 3. При этом напряженность магнитного поля в месте установки магнитоуправляемого контакта 12 определяется суперпозицией разнонаправленных полей удерживающей обмотки 3 электромагнита и компенсационной обмотки 11 сигнализатора положения запорного органа и обеспечивает замкнутое положение контакта 12.
Если при подаче напряжения на электроклапан и снятия напряжения с форсирующей обмотки 2 запорный орган 9 не открывается, т.е. якорь 7 находится на упоре 14, то напряженность магнитного поля в зоне установки сигнализатора положения конструктивно обеспечивается нулевой или меньше необходимой для замыкания и размыкания магнитоуправляемого контакта за счет суперпозиции разнонаправленных полей удерживающей обмотки 3 электромагнита и компенсационной обмотки 11 сигнализатора положения. При изменении напряжения питания, которое подается на электроклапан для его открытия, например, от минимального рабочего напряжения до максимального рабочего напряжения, значение результирующей напряженности магнитного поля в зоне установки контакта 12 не меняется, так как одновременно синхронно меняется напряженность как от удерживающей 3 обмотки электроклапана, так и от компенсационной обмотки 11 сигнализатора положения. Аналогичный процесс происходит и при изменении температуры окружающей среды из-за зависимости сопротивления обмоток от температуры.
Если при подаче напряжения на электроклапан и снятия напряжения с форсажной обмотки 2 запорный орган 9 открывается, т.е. якорь 7 находится на стопе 10, то суммарная напряженность магнитного поля в зоне установки сигнализатора положения обеспечивает замыкание магнитоуправляемого контакта за счет увеличения напряженности поля от удерживающей обмотки 3 из-за уменьшения магнитного сопротивления при нулевом зазоре 15, в то время как напряженность поля от компенсационной обмотки 11 сигнализатора положения остается постоянной. При изменении напряжения питания, которое подается на электроклапан для его открытия, например, от минимального рабочего напряжения до максимального рабочего напряжения, значение результирующей напряженности магнитного поля в зоне установки контакта 12 не меняется, так как одновременно синхронно меняется напряженность как от удерживающей 3 обмотки электроклапана, так и от компенсационной обмотки 11 сигнализатора положения. Аналогичный процесс происходит и при изменении температуры окружающей среды из-за зависимости сопротивления обмоток от температуры.
Действительно, якорь 7 с запорным органом 9 могут занимать только два устойчивых состояния:
1. Запорный орган 9 закрыт, при этом якорь 7 прижат пружиной 13 к упору 14. В этом случае суммарная напряженность магнитного поля в зоне установки сигнализатора положения недостаточна для срабатывания магнитоуправляемого контакта 12. Это соотношение остается неизменным и при изменении напряжения питания и температуры окружающей среды электроклапана в широких пределах.
2. Запорный орган 9 открыт, при этом якорь 7 удерживается электромагнитными силами на стопе 10. В этом случае напряженность магнитного поля в зоне установки сигнализатора положения за счет уменьшения магнитного сопротивления потока от удерживающей обмотки 3 значительно возрастает, напряженность поля от компенсационной 11 катушки остается неизменной, а суммарная напряженность от этих потоков максимальна, позволяющая замкнуть контакт 12. Это соотношение остается неизменным и при изменении напряжения питания и температуры окружающей среды электроклапана в широких пределах.
Для увеличения надежности сигнализация положения клапана может быть выполнена с несколькими сигнализаторами, магнитоуправляемые контакты которых соединены мажоритарно в системе управления.
При практической реализации заявленный электроклапан был выполнен для применения в электрохимическом источнике тока, напряжение питания которого, подаваемое на клапан, в зависимости от нагрузки на источник может меняться от 17 до 35В, а температура окружающей среды электроклапана от 20 до 95°С.
При подаче напряжения на электроклапан после отключения форсажной обмотки электромагнита клапан остается в открытом положении, а магнитоуправляемые контакты замкнуты при изменении напряжения питания от 17 до 35В. Если при этом механически переместить якорь в положение закрытого запорного органа, т.е. посадить на упор 14, то магнитоуправляемые контакты размыкаются и остаются в этом положении при изменении питания в диапазоне 17…35В. Аналогичное состояние магнитоуправляемых контактов обеспечивается и при изменении температуры окружающей среды в диапазоне 20…95°С.
Электроклапан выполнен в данных параметрах с применением следующих материалов и комплектующих:
герметичный электромагнит выполнен с магнитопроводом 1 и якорем 7 из магнитомягкой термически обработанной коррозионностойкой стали 16Х-ВИ ГОСТ 10994;
детали магнитопровода 1 соединены аргонодуговой сваркой в среде защитных газов;
диаметр якоря 7 составляет 13 мм, тонкостенная перегородка магнитопровода, служащая направляющей якоря 7 толщиной 0,2 мм;
диаметр магнитопровода под каркас форсажной 2 и удерживающей 3 катушки составляет 13,6 мм;
крышка с седлом 4, входным 5 и выходным 6 штуцерами, клапан 9 выполнены из стали 12Х18Н10Т-ВД ТУ 14-1-3581-83, материал уплотнения клапана - смесь резиновая ИРП 2043 ТУ 38-005924-84;
детали крышки соединены аргонодуговой сваркой в среде защитных газов, также крышка и магнитопровод соединены аргонодуговой сваркой в среде защитных газов;
Упор 14 выполнен из стали 12Х18Н10Т-ВД ТУ 14-1-3581-83 и соединен с магнитопроводом аргонодуговой сваркой в среде защитных газов;
Пружина 13 и пружина клапана выполнены из проволоки 12Х18Н10Т-В ТУ 3-1002-77;
Обмотки электромагнита выполнены моточным проводом ПЭТВ-02-ОС ТУ 16-502.003-82:
форсажная диаметром провода 0,28 мм с числом витков не менее 910, сопротивление при 20°С равно (12,8±1,5)Ом. Форсажная обмотка включается на 0,2 с;
удерживающая диаметром провода 0,16 мм с числом витков не менее 3500, сопротивление при 20°С равно (208±10)Ом.
Шток 8 и выполнен из термообработанной стали 95X18-Ш ТУ 14-1-595-73;
Сигнализатор положения выполнен из четырех компенсационных катушек моточным проводом ПЭТМ-155-0,05 ТУ 16-705.173-80 с числом витков 1100, сопротивление при 20°С (4662,7±20)Ом.
Каркасы компенсационных катушек диаметром 11 мм, длиной 11 мм, выполнены из ПА блочного марки А ТУ 6-05-988-87. Внутри каркасов расположены контакты магнитоуправляемые МК-10-3 Гр. А ДеО.483.000ТУ. Каркасы с компенсационными катушками и магнитоуправляемыми контактами закреплены в теле магнитопровода его элементами при помощи винтов. Соединение четырех сигнализаторов положения мажоритарное в системе управления.
Электрическая связь обмоток электроклапана с источником питания и выводами магнитоуправляемых контактов обеспечивается разъемом 16 ОС РС19АТВ АВ0.364.047ТУ бРО.364.045ТУ, установленным на донышке из стали 12Х18Н10Т ВД ТУ 14-1-3581-83, который приварен аргонодуговой сваркой в среде защитных газов к магнитопроводу.
Таким образом, такое исполнение описываемого электроклапана обеспечивает соответствие между состоянием запорного органа и состоянием магнитоуправляемого контакта в широком диапазоне питающего напряжения и температуры окружающей среды электроклапана.